3D-Stadtmodelle als Unterstützung der Energieplanung von Kommunen Prof. Dr. Volker Coors, HFT Stuttgart Wo-Kongress 6. Juni 2013, Wissenschaftspark Gelsenkirchen 1
Energiebedarfssimulation auf Basis von 3D-Stadtmodellen HFT Fors
ZIEL: VOLLSTÄNDIG AUTOMATISIERTE WÄRMEBEDARFSPROGNOSE EINER STADT 3
Phase 1: Machbarkeit (~2010) Ziel: Nutzung LoD2-Stadtmodelle Datenquelle: Stadtmessungsamt Stuttgart Klassifizierte Randfläche: WallSurface, RoofSurface, GroundSurface Attribute: Baujahr Nutzungsart (Anzahl Vollgeschosse) teilw. Dach- und Fassadentexturen 4
Gebiete Stuttgart Innenstadt, 1 km x 1 km, CityGML LoD2, texturiert Stuttgart Süd, 1 km x 1 km, CityGML LoD2 5
Eingangsdaten Simulation Umbautes Volumen [m 3 ] Dachfläche [m 2 ] Fläche Außenwände [m 2 ] (sun / wind exposed) Fläche Innenwände [m 2 ] (zu Nachbargebäuden) Fläche Grundriss [m 2 ] Ausrichtung der Dach- / Wandfläche Anteil Fensterfläche pro Wand [%] U-Werte für Gebäudehülle 6
Datenaufbereitung Volumen Außenwände Gebäudetypologie (Clustering, k-means) 7
PHASE 2 (2011-2012): EVALUATION DER SIMULATIONSERGEBNISSE 8
Fallstudie 1: Scharnhauser Park Aneta Strzalka, Jürgen Bogdahn, Volker Coors, Ursula Eicker, 3D City MODELING for Urban Scale Heating Energy Demand Forecasting, ASHRAE HVAC&R Research Journal on "Indoor air quality, ventilation and energy conservation in buildings 9
Simulationsmodell Modell 1: Wärmebedarfsermittlung durch Transmissions-Wärmeverlust- Koeffizient und der täglichen Aussentemperatur Modell 2: Monatsbilanzverfahren nach DIN V 18599 unter Berücksichtigung interner und externer Wärmegewinne und -verluste (Lüftung, Transmissionsverluste, solare Einstrahlung) 10
Ergebnis gesamt 11
Fallstudie 2: Ludwigsburg - Grünbühl Monatsbilanzverfahen nach DIN 18599 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 12
Fallstudie 2: 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
Fallstudie 3: Karlsruhe - Rintheim Monatsbilanzverfahen nach DIN 18599 auf Basis von 3D Stadtmodellen (LOD 2) Qh (Heizwärmebedarf): < 30 kwh: dunkelgrün 30-60: hellgrün 60-90 gelb 90-120 gelborange 120-150 orange >150 rot 14
Wohnfläche (m²) Fallstudie 3: Validierung 3D Stadtmodell durch Vergleich berechnete Wohnfläche mit Wfl aus VW Studie A WF = A GBF * 80% = A GF * N geschosse * 80% 6000 5000 Typ I Typ II Geometriefehler: Qualität 3D Stadtmodell 4000 Typ V 3000 Typ III Typ IV 2000 VW Daten Simulation 1000 0 Je Gebäude Prof. Dr. Volker Coors, 14.12.2012 15
Jährlicher r Heizbedarf (kwh/m² WF.a) Studienbereich/Absender Fallstudie 3: Ergebnisse je Gebäudetyp 200 181,2 180 160 140 120 100 80 60 120,0 113,8 107,6 74,3 76,3 61,3 58,5 48,5 46,2 VW Daten Simulation 40 20 0 Typ I Typ II Typ III Typ IV Typ V Typ III, IV, V : Abweichung VW Daten/Simulation < 5%! Typ II : Abweichung VW Daten/Simulation = 10% (5% ohne Gebäudemodell mit Geometriefehler ) Typ I : Abweichung VW Daten/Simulation = 50%! Prof. Dr. Volker Coors, 14.12.2012 16
PHASE 3 (2012+): NUTZUNG 3D-STADTMODELL BEI ENTWICKLUNG KOMMUNALER ENERGIEKONZEPTE 17
KLIMA-SEK II Erstellung und Anwendung eines 3D Stadtmodells Der Stadt Ludwigsburg (LoD2) für die Wärmebedarfsabschätzung als Basis für gesamtstädtische Sanierungs- und Energieversorgungsstrategien Auftrag der Stadt Ludwigsburg im Rahmen des Wettbewerbs Klimaneutrale Kommune des Umweltministeriums BW 3D Modell (LoD2) anhand von SIG3D Vorgaben Qualitätsprüfung (Geometrie und Semantik) Basis für Wärmebedarfs-simulation Gesamt-Ludwigsburg
SIMSTADT SIMSTADT - Energiesimulation von Stadtquartieren Geldgeber: Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie Ausschreibung: EnEff:Stadt / En:Sys Partner: M.O.S.S. Computer Grafik Systeme GmbH GEF Ingenieur AG Laufzeit: 01.12.2012-30.11.2015 Ziel: Weiterentwicklung der modular aufgebauten Simulationswerkzeuge Bereitstellung von Toolboxen zur Simulation von Stadtquartieren Simulationsumgebung, die Gebäudebedarfsanalysen mit dezentraler erneuerbarer Einspeisung über Netzsimulationen koppelt und somit die Berechnung von Szenarien für Lastmanagement, Speicherdimensionierung sowie Bedarfsentwicklungen ermöglicht.
3D-Stadtmodell Datenaufbereitung HFT Fors
CityGML ADE Energy HFT Fors
Fazit 3D-Stadtmodell ist eine unverzichtbare Grundlage zur Planung der Energiewende auf kommunaler Ebene: - Simulation von Wärmebedarf auf Quartiersebene - Prognosen zur Wirksamkeit von Massnahmen (z.b. Sanierungsrate) - Netzplanung bei dezentralen Erzeugern - Beurteilung von Entwürfen nach energetischen Gesichtspunkten - Datenqualität CityGML LoD2 beachten! Bürgerbeteiligung durch Bereitstellung von Daten und Simulationswerkzeugen, aber auch zur Verfeinerung der Gebäudedaten (z.b. Sanierungsstand) durch Crowdsourcing
Barks, Fuchs: CP 2, BL DD 11 Prof. Dr. Volker Coors