A concept for an integrated building model for energy management

Abstract

The interpretation of data generated by Building Energy Management Systems (BEMS) is challenging for humans and algorithms. This thesis investigates how building information modeling (BIM) can be applied to support BEMS data exploration. For this purpose, a concept for an Integrated Building Model For Energy Management (IBMEM) is proposed in which BIM and BEMS data are combined.IBMEM development starts with data requirement analysis. A use case for energymanagement is defined. It reflects the need to visualize fixed and portable indoor environment sensor data in a semantically rich spatial context. The use case guides the derivation of functional and non-functional system requirements. An IBMEM data model is designed, comprising a building model schema and multiple elementontologies. A collection of IBMEM views for energy management is defined in which BEMS data are modeled in the context of spaces and spatial zones. Two formal workflow models are developed to deploy and maintain an IBMEM on-site. A proof-of-concept prototype of an IBMEM is created for a medium-sized office building, and the deployment workflow model is partially validated. A BIM authoring system and an existing space modeling system are used to create this IBMEM instance, which comprises multiple energy management views. Energy management and architecturalviews provide the user with a broad perspective of the conditions in the test building.Air temperature data are visualized and explored in each view. It is shown how users can compare temperature differences and narrow down temperature anomalies to specific spaces and zones. Key contributions of the thesis include the design of an IBMEM data model that supports semantically rich spatial context models for BEMS data exploration; the definition of multiple energy management views; and the design and validation of IBMEM workflow models.

Die Analyse von Sensordaten, die von Building Energy Management Systems (BEMS)generiert werden, ist eine Herausforderung für Menschen und Algorithmen. In dieser Arbeit wird untersucht, wie Building Information Modeling (BIM) eingesetzt werden kann, um die Analyse von Sensordaten zu erleichtern. Zu diesem Zweck wird ein Konzept für ein Integriertes Gebäudemodell für Energiemanagement (IBMEM) vorgeschlagen, das BIM- und BEMS-Daten kombiniert. Die Entwicklung des IBMEM beginnt mit einer Datenbedarfsanalyse. Ein Anwendungsfall für das Energiemanagement wird definiert. Er spiegelt die Notwendigkeit wider, stationäre und mobile Sensordaten der Innenraumumgebung in einem semantisch angereicherten räumlichen Kontext zu visualisieren. Der Anwendungsfall leitet die Definition der funktionalen und nicht-funktionalen Systemanforderungen. Ein IBMEM-Datenmodell wird entwickelt, das ein Gebäudemodellschema und mehrere Element-Ontologien umfasst. IBMEM-Views für das Energiemanagement werden definiert, in denen BEMS-Daten im Kontext von Räumen und Raumzonen mit einer umfassenden Semantik modelliert werden. Zwei formale Workflow-Modelle werden entwickelt, um ein IBMEM vor Ort zu installieren und zu warten. Ein Proof-of-Concept Prototyp eines IBMEM für ein mittelgroßes Bürogebäude wird erstellt und das Installations Workflowmodell wird teilweise validiert. Ein BIM-Authoring-System und ein bestehendes Space Modeling System werden verwendet, um eine IBMEM-Instanz zu erstellen, die mehrere Energiemanagement-Views enthält. Energiemanagement- und Architektur-Views bieten dem Benutzer einen umfassenden Uberblick über die Bedingungen im Testgebäude. Lufttemperaturdaten werden in jeder View visualisiert und untersucht. Es wird gezeigt, wie Benutzer Temperaturunterschiede vergleichen und Temperaturanomalien auf bestimmte Räume und Zonen eingrenzen können. Zu den Beiträgen dieser Arbeit gehören der Entwurf eines IBMEM-Datenmodells, semantisch reichhaltige räumliche Kontextmodelle zur Unterstützung von BEMS-Datenexploration,die Definition von Energiemanagement-Views sowie der Entwurf und die Validierung von IBMEM Workflow-Modellen.