BIM-based building energy modelling for holistic simulation-based assessment and optimisation of operating industrial production facilities

Abstract

Die Steigerung der Energie- und Ressourceneffizienz in industriellen Produktionsanlagen ist ein Kernziel im Zeitalter der vierten industriellen Revolution – Industrie 4.0. Es gibt beträchtliche Möglichkeiten, solche Ziele in bestehenden Betriebsanlagen zu erreichen, indem Maßnahmen zur Nachrüstung und Digitalisierung ergriffen werden, um den Energiebedarf von vornherein zu vermeiden. Durch den Einsatz von Computermodellen und -simulationen zur Vorhersage und Optimierung des Energiebedarfs in beiden oben genannten Richtungen können erhebliche Vorteile erzielt werden. Dies erfordert einen interdisziplinären Ansatz, der sich sowohl auf die Produktions- und Logistikprozesse als auch auf das Gebäude und die technische Gebäudeausrüstung erstreckt und durch integrierte Modellierung und simulationsgestützte Optimierung konsolidiert wird. Die vorliegende Dissertation widmet sich daher einem interdisziplinären Forschungsfeld, das sich über Produktionstechnik, Energiesysteme, computergestützte Automation und Gebäudetechnik erstreckt und sich auf das Thema Industriegebäude als den physischen Raum konzentriert, in dem sich alles andere abspielt.Die Dissertation ist kumulativ und basiert auf fünf begutachteten wissenschaftlichen Artikeln. Die durchgeführte Arbeit versucht, die Forschungslücke des Einsatzes von Gebäudeenergiemodellierung (BEM) bei der ganzheitlichen Bewertung von industriellen Produktionsanlagen im Betrieb zu schließen. Dies geschieht zum einen durch eine eingehende Untersuchung der energetischen Nachrüstung bzw. Sanierung im Hinblick auf die Optimierungspotenziale des Industriebaus und zum anderen durch die digitale Abbildung des Gebäudes in einem ganzheitlichen digitalen Zwillingssimulationsrahmen für hochdigitalisierte Anlagen. Untersucht wird daher die Verbindung von Building Information Modelling (BIM) mit industriellen Gebäudeenergiemodellen – BEM, da BIM als Modellierungstechnologie in der Architektur-, Ingenieur- und Bauindustrie etabliert ist, um Gebäudemodelle zu verarbeiten und zu analysieren und gleichzeitig eine gemeinsame digitale Wissensdomäne mit geometrischen und/oder nicht-geometrischen Informationen zu bilden.Die zentrale Forschungsfrage ist, wie und inwieweit die BIM-basierte Gebäudeenergiemodellierung für eine ganzheitliche simulationsgestützte Bewertung des Betriebs industrieller Produktionsanlagen im Sinne einer energieeffizienten Optimierung genutzt werden kann. Dazu werden erstmals BIM-zu-BEM-Prozesse und die BEM-Bewertung an Fallbeispielen von bestehenden Industriegebäuden analysiert. Eine moderne Implementierung von BEM-Werkzeugen und -Methoden unter aktiver Berücksichtigung und Integration von Produktionsprozesslasten wird durchgeführt und in der Untersuchung von Sanierungsstrategien für die energetische Gebäudesanierung an einer Fallstudie ausführlich dargestellt. Zusätzlich wird ein BIM-basierter, halbautomatischer Arbeitsablauf für die Erfassung von Daten direkt aus bereits entwickelten BIM-Modellen vorgeschlagen, um eine BEM-Darstellung für eine ganzheitliche hybride Simulation innerhalb eines digitalen Zwillingsökosystems zu erstellen, die die Integration der energiebezogenen Planung in den tatsächlichen Anlagenbetrieb ermöglicht. Anschließend wird eine Proof-of-Concept-Implementierung des Workflows vorgestellt.Der Beitrag der durchgeführten Arbeit wird auf zwei Ebenen bewertet, die der energetischen Sanierung und die der industriellen Digitalisierung. Auf der Ebene der energetischen Sanierung zeigt sie den Weg zur Nutzung von BEM für die Optimierung der Gebäudeleistung industrieller Produktionsanlagen und unterstützt das Argument für die Erstellung eines BIM-Modells, in dem die industrielle Anlage gut dokumentiert werden kann. Mittels des BIM-Modells wird sowohl eine Grundlage für das Lebenszyklus Facility Management als auch eine Wissensdatenbank für die Bewertung von energetischen Sanierungsmaßnahmen mit höherer Kosten- und Zeiteffizienz geschafft. Dies führt jedoch nicht zu einer de facto schnelleren Modellierung des jeweils notwendigen BEM-Simulationsmodells. Die entsprechenden Schwierigkeiten sind auf die erforderliche Vereinfachung und Filterung der vom BIM-Modell bereitgestellten Daten sowie auf Interoperabilitätsprobleme der verschiedenen disziplinorientierten Softwareanwendungen zurückzuführen ist. Auf der Ebene der industriellen Digitalisierung trägt diese Arbeit mit der Bestimmung der notwendigen Vereinfachung von BEM in ganzheitlichen Anwendungen zur Optimierung der Energie- und Ressourceneffizienz von Betriebsanlagen bei. Darüber hinaus wird der zukünftigen Forschung im Bereich hybrider industrieller Simulationen die wesentlichen gebäudebezogenen Informationen bei der Erstellung der digitalen Zwillingsmodelle von Gebäuden zu priorisieren geholfen. Dies ermöglicht die gewünschte Komplexität einer ganzheitlichen digitalen Repräsentation einer industriellen Anlage zu erreichen, während unnötige domänenspezifische Informationen weggelassen werden, was die Fehlerraten und die Rechenzeit solcher Modelle erhöht. Der vorgeschlagene halbautomatische Arbeitsablauf für eine BIM-basierte Erstellung des abstrahierten BEM-Modells könnte auch in einer hybriden cyber-physischen Systemsimulation verwendet werden, bei der keine typischen BEM-Tools, sondern ein Formalismus zur Spezifikation diskreter Ereignisse zum Einsatz kommen.

Enhancement of energy and resource efficiency in industrial production facilities is a core objective in the era of the fourth industrial revolution – Industry 4.0. There are substantial opportunities for achieving such targets in existing operating facilities by engaging measures towards retrofitting and digitalisation, to avoid energy demand in the first place. Significant benefits can be gained by utilising computational modelling and simulations for predicting and optimising the energy demand in both of the above directions. This requires an interdisciplinary approach, extending over production and logistic processes as well as the building and technical building services, consolidated through integrated modeling and simulation-based optimization. From this viewpoint, this doctoral thesis addresses an interdisciplinary research domain, extending over production engineering, energy systems, computer aided automation and building technology, while focusing on the topic of the industrial building, as the physical space in which everything else is occurring.The doctoral thesis is cumulative, based on five peer-reviewed scientific papers. The conducted work attempts to close the research gap of the utilisation of building energy modelling (BEM) in the holistic assessment of industrial production facilities in operation. It does so by a thorough investigation focusing, on the one hand, on energy retrofitting concerning the optimisation potentials of industrial construction, and on the other, on the digital representation of the building in a holistic digital twin simulation framework for highly digitalised facilities. The interconnection of building information modelling (BIM) with industrial building energy models is therefore examined, given the fact that BIM is established as modelling technology in the architecture, engineering and construction industry to process and analyse building models, while also forming a joint digital knowledge domain with geometrical and/or non-geometrical information.The main research question is how and to which extent can BIM-based building energy modelling be utilised in holistic simulation-based assessment of operating industrial production facilities towards energy-efficient optimisation. Thus, BIM-to-BEM processes and BEM assessment are analysed for the first time on the case studies of existing industrial buildings. State-of-the-art implementation of BEM tools and methods, with active consideration and integration of production process loads is conducted and thoroughly presented in exploration of refurbishment strategies for the building energy retrofitting on a case study. Additionally, a BIM-based semi-automated workflow for acquiring data directly from already developed BIM models is proposed, in order to create a BEM representation for a holistic hybrid simulation within a digital twin ecosystem, enabling the integration of energy-related planning into the actual plant operation. A proof-of-concept implementation of the workflow is then presented.The contribution of the conducted work is assessed on two levels, those of energy retrofitting and industrial digitalization. On the level of energy retrofitting, it demonstrates the way to utilise BEM for optimising the building performance of industrial productions facilities, supporting the argument for the creation of a BIM model, where the facility can be well documented, providing a knowledge database for energy retrofit measures assessment with higher cost and time efficiency next to the basis for life-cycle operational management. However, this does not entail a de facto faster modelling of the necessary BEM simulation model, due to the required simplification and filtering of BIM-provided data as well as interoperability issues of the different discipline-oriented software applications. On the level of industrial digitalisation, this work contributes the necessary abstraction level for BEM in holistic applications for optimising energy and resource efficiency of operating facilities, helping future research in the field of hybrid industrial simulations to prioritise the essential building-related information in the creation of the building digital twin models. This enables reaching the desired complexity of a holistic digital representation of a facility, while omitting unnecessary domain-specific information and thus increasing the error rates and computational time of such models. The proposed semi-automated workflow for a BIM-based creation of the abstracted BEM model could also be utilised in a hybrid cyber-physical system simulation, not employing typical BEM tools but a discrete event system specification formalism.