SimStadt Energiesimulation von Stadtquartieren

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1 SimStadt Energiesimulation von Stadtquartieren GEF Ingenieur AG Ferdinand-Porsche-Str. 4a Leimen

2 Inhalt 1. SimStadt Projektüberblick 2. SimStadt Plattform Übersicht Workflows 3. Evaluation: Fallbeispiel Grünbühl 4. SimStadt Komponenten und Perspektiven 5. Fazit 2

3 SIMSTADT Energiesimulation von Stadtquartieren SIMSTADT Energiesimulation von Stadtquartieren Geldgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Technoloie (BMWi) Ausschreibung: EnEff:Stadt / En:Sys Projektbeteiligte: HFT Stuttgart M.O.S.S. Computer Grafik Systeme GmbH GEF Ingenieur AG Laufzeit:

4 Building Nr An[m2] A/V Ht' [W/m².K] Q[kWh/a] Building Nr Building Nr Non- An[m2] An[m2] Non- A/V A/V Non- Ht' [W/m².K] Ht' [W/m².K] Non- Q[kWh/a] Q[kWh/a] Non- Building Type Residential Mixed Residential Residential Mixed Residential Residential Mixed Residential Residential Mixed Residential Residential Mixed Residential TOTAL , , ,8 0,533 0,474 0,527 1,107 1,320 1, EFH_B ,608 0,901 1,431 1, EFH_C ,877 1, EFH_H ,883 0, EFH_I ,604 0, EFH_J ,818 0, GMH_B ,405 0,413 0,430 1,926 1,958 1, GMH_C ,376 0,467 1,780 1, GMH_D ,364 0,337 1,628 1, GMH_E ,350 1, MFH_B ,430 0,479 0,468 1,513 1,549 1, MFH_C ,404 0,470 0,420 1,549 1,536 1, MFH_D ,415 0,458 0,582 1,495 1,430 1, MFH_E ,449 1, MFH_F ,497 1, MFH_G ,429 0,499 0,975 0, MFH_H ,438 0,350 0,397 0,865 0,840 0, MFH_I ,395 0,403 0,554 0,495 0,492 0, MFH_J ,493 0,421 0,424 0, RH_B ,518 0,495 0,810 1,389 1,450 1, RH_D ,635 1, RH_H ,812 0,487 0,860 0, RH_I ,566 0, RH_J ,541 0, , Motivationen 1. CityGML 3D Stadtmodelle nutzen und analysieren, um auf das volle Potenzial des open Big Geo Data zuzugreifen. 2. Ein modulares Workflowsystem entwickeln, um eine unbegrenzte Anzahl urbaner Analysen zu ermöglichen. 3D City model Building Attributes 3D-Geodatenserver Quality check tool Building Libraries # Building Physics # Building usage # Refurbishment scenarii SimStadt Analysetool INSEL Simulation Monthly Energy Balance 2D Map 3D Viewer Export Outputs OpenGeospatial Consortium 4

6 Modulares Workflow-System Workflows = Kette von elementaren und wiederverwendbaren Workflowsteps CityGML model validation and import Datapreprocessing workflow steps (Geometry, Physics, Usage) WeatherProcessor mit verschiedenen Datenquellen RadiationProcessor mit verschiedenen Strahlungs- und Himmelsmodellen Plug-Ins für weitere Tools (STANET, INSEL etc.) In jedem Workflowstep: Über die GUI können (Zwischen)Ergebnisse anhand von Diagrammen, Tabellen und Karten analysiert werden 6

7 SimStadt Plattform einzelne Workflows 3DStadtmodell Heizwärmebedarfsberechnung Sonneneinstrahlung + PV Potential Netzsimulation Sanierungsszenarien Bilanzierung CO 2 -Ausstoß 7

8 3D Stadtmodelle basierend auf CityGML Standardisierte (OGC) open data model für digitale Stadtmodelle Spatio-semantische Modelle mit vier möglichen Levels of Details Angewandt für die Modellierung von zahlreichen Städten/Regionen Anreicherung des Stadtmodells über Gebäudebibliothek Building Physics Editor Building Usage Editor 8

9 Heizwärmebedarfsberechnung nach dem Monatsbilanzverfahren (EnEV14) Mindest-Datenanforderungen: 3D-Stadtmodell mit Baujahr und Baufunktion Ergebnisse: Heizwärmebedarf und Energiebezugsfläche pro Gebäude, Wärmedichtekarte Wärmedichtekarte 9

10 Sonneneinstrahlung und Analyse des PV-Potentials Zwei Strahlungsmodelle (mit und ohne Verschattung) Mindest-Datenanforderungen: Nur 3D-Stadtmodell Ergebnisse: Einstrahlung je Gebäudefläche, für PV-Installation geeignete Fläche, theoretischer Stromerertrag 10

11 Bilanzierung des CO 2 -Ausstoßes Setzt sich zusammen aus Emissionen durch Heizwärme, Warmwasserbereitung und Stromverbrauch Mindest-Datenanforderungen: 3D-Stadtmodell mit Baujahr und Gebäudefunktion + Heizsysteme pro Gebäude oder aggregiert. 11

12 Planung und Simulation von Sanierungsszenarien Sanierungsplanung und -simulation basierend auf Sanierungsrate und gebäudetypabhängigen Sanierungsmaßnahmen Mindest-Datenanforderungen: 3D-Stadtmodell mit Baujahr und Gebäudefunktion Ergebnisse: Zeitlich priorisierte Planung der Sanierungsoperation pro Gebäude, Heizwärmebedarf vor und nach Sanierung Grünbühl Stand 2050 Qh = 44,2 kwh/m².a Grünbühl Stand 2013 Qh = 96,9 kwh/m².a 12

13 Dimensionierung und Simulation von Wärmenetzen Hydraulische Netzsimulation durch STANET Plug-In Hydraulische Simulationsprogramme modellieren die Struktur von Fernwärmenetzen. Anhand der nachgebildeten Struktur werden unterschiedliche Betriebszustände simuliert. Das Modell dient dazu, die Netze auszulegen und zu optimieren. Beispiel Simulationsprogramm: Ergebnis einer Netzdimensionierung DN 25 DN 32 DN 40 DN 50 DN 65 DN 80 DN 100 DN 150 DN 200 DN 250 DN 300 > DN

14 Dimensionierung und Simulation von Wärmenetzen 14

16 Fallstudie: Ludwigsburg - Grünbühl Monatsbilanzverfahren nach DIN auf Basis von 3D Stadtmodellen (LoD1) Der Stadtteil Grünbühl liegt im Südwesten von Ludwigsburg ca. 254 Gebäude (ca 124 Wohngebäude, 10 Mischnutzung) Hoher Anteil an sanierungsbedürftigem Gebäudebestand 16

17 Fallstudie: Ludwigsburg - Grünbühl Validierung Vergleich Gasablesung / Simulation Gasverbrauchsdaten für ca. 2/3 der Gebäude vorhanden Fazit: Simulationsergebnisse sind im Durchschnitt 14% höher als Gasverbrauchsdaten gutes Ergebnis (unter 20% wird als gut betrachtet) Extremwerte müssen im Detail betrachtet werden 17

19 SimStadt Komponenten und Perspektiven Datenverarbeitung Viewing Services Download/ Upload Services Processing Services Fachapplikationen Datenmanagement Datenbereitstellung Datenanreicherung Messdaten Externe Daten Datenhaltung

20 SimStadt Komponenten und Perspektiven Datenbereitstellung und Datenanreicherung Datenhaltung und Datenmanagement Fachapplikationen Realisierte Komponenten Erzeugung von 3D-Gebäudemodellen für Stadtquartiere Nachbearbeitung der 3D-Gebäude, Qualitätssicherung automatische Erzeugung von Wärmenetzen Anreicherung der Gebäude um Fachdaten: (umbautes Volumen, Dachfläche, Fläche Außenwände, Fläche Innenwände zu Nachbargebäuden, Fläche Grundriss, Ausrichtung der Dach-/Wandfläche, Anteil Fensterfläche pro Wand, U-Werte für Gebäudehülle Verwaltung der 3D-Stadtmodelle in der 3D-CityDB CityGML und ADE Energy Import-/ Export über die Standardformate Berechnung des Heizwärme-, Warmwasser-, Strombedarfs Berechnung der Solarstrahlung auf Gebäudefassade und -dachfläche Berechnung der Solarenergie-potenziale (Photovoltaik und Solarthermie) anhand nutzerdefinierter Kriterien optimierte Trassenführung und Dimensionierung von Wärmenetzen, basierend auf den berechneten Wärmebedarf und dem Straßenverlauf Berechnung des CO 2 -Ausstoßes u. Primärenergiebedarfs Perspektiven Datenbeschaffung über Datendienste (lokal) Nutzung von Daten der Fernerkundung (z.b. für Fensterflächenverhältnisse) Einbindung von Fremddaten aus Portalen (z.b. Immobilienportale) Integration nutzerbezogener Daten sozio-demographische Daten Daten zu Kosten und Ressourcen Versionen und Szenarien Maßnahmen Kosten und Ressourcen Sensor-/ Messdaten Metadaten Bewertung von Szenarien und Maßnahmen technische Bewertungen, Wirtschaftlichkeitsmodelle Integration von Messdaten zur Validierung der Szenarien Schnittstellen zu weiteren Softwaretools (Simulationsprogramme, CAD etc.) 20

21 SimStadt Komponenten und Perspektiven Datenverarbeitung Services: Viewing, Download-Upload, Processing Messdaten Realisierte Komponenten Abarbeitung von Workflows mit Datenimport, - anreicherung, Berechnungen und Simulationen auf Gebäudeebene grafische Darstellung der Ergebnisse Nutzung der Daten für Dienstleistungen Import-/ Export über CityGML und ADE Energy automatische Generierung der Gebäude Perspektiven nutzerbezogene Visualisierungen Versions-/ Szenarienmanagement und Vergleiche Metadatenverarbeitung Reportgenerierung verteiltes und paralleles Rechnen Integration neuer Modelle und Verfahren Geschäftsmodelle zur Nutzung der Plattform Bereitstellung von Web Processing Services (WPS) zum Aufruf der Berechnungen und Simulationen Austausch von Sensordaten über Sensor Observation Services (SOS) bzw. O&M (ISO 19156) weitere Datendienste Übernahme von Sensordaten, z.b.: Smart Meter Daten, Messdaten der Stadtwerke, Daten von Wetterstationen Dienste zur Prüfung der Verfügbarkeit von Sensordaten Filtern, Aggregieren und Bewerten von Messdaten entsprechend der vorgesehenen Szenarien 21

23 Fazit Durch die Entwicklung eines modularen Workflowsystems und neuer Schnittstellen bietet SimStadt die Möglichkeit für zahlreiche Analysen Wärmebedarfsberechnung + automatisierte Trassierung + hydraulische Netzsimulation Perspektiven haben gezeigt, dass es noch großes Entwicklungspotential gibt Nächste Schritte müssen sein: Integrierung wirtschaftlicher Kennzahlen (Liniendichten, Kosten pro Trassenmeter etc.) Ansätze für Erzeugungskonzept (Einsatz Erneuerbarer Energien) Entwicklung offener Schnittstellen als Grundlage für den weiteren Planungsprozess (CAD etc.) 3D Stadtmodelle und standardisierte Schnittstellen können zukünftig die Effizienz und Qualität von Planungsprozessen optimieren 23

24 Fazit Mehrwerte Realdaten Entwicklungsszenarien Planungen Varianten urbane Energiesysteme Energiesysteme 3D Stadtmodell Gebäude Energiebedarf erneuerbare Energien Anwendungsfälle Verteilernetze Dienstleistungen Services Steuerung Überwachung Datenanreicherung Simulationen Crowd- Sourcing Messdaten Paul Klee: Studie

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