Method for establishing scalable load profiles for residential and office buildings to run an urban simulation environment considering construction and mechanical engineering technologies as well as the impact of social differentiation

Abstract

Das Ziel von URBEM ist die Erforschung und Entwicklung einer interaktiven Simulationsumgebung zur Analyse von Szenarien in Richtung einer nachhaltigen, versorgungssicheren, lebenswerten und leistbaren Stadt, am Beispiel der Stadt Wien. Das Projektteam, bestehend aus 10 Dissertant_innen und 16 Professor_innen aus 5 Fakultäten, sowie eine Reihe von Expert_innen der Wiener Stadtwerken ist sehr interdisziplinär. Dabei werden neu entwickelte wissenschaftliche Modelle aus den Disziplinen Ökonomie, Soziologie, Gebäudephysik, thermische und elektrische Netze, Mobilität sowie Informatik und Raumplanung nicht nur ausgetauscht, sondern innerhalb der entwickelten URBEM Simulationsumgebung zu einem gemeinsam lauffähigen sowie kompatiblen und ganzheitlichen Gesamtmodell vereint. Gebäude nehmen nicht nur durch ihren hohen Anteil am städtischen Gesamtenergieverbrauch, sondern auch durch ihre ständige Interaktion mit Menschen und ihrer Umwelt eine bedeutende Rolle in der Stadtentwicklung ein. Die Ergebnisse dieser Dissertation zeigen eine neu entwickelte Methode um Gebäude und deren spezifische Energieverbrauchscharakteristiken unter Berücksichtigung ausgewählter Szenarien zeit- und ortsaufgelöst darzustellen. Neben einem umfassenden Gebäudecluster sowie Gebäudetechnikvarianten, wurde auch eine neue Methode hinsichtlich der Unterschiede des spezifischen Energieverbrauchsverhalten durch soziale Differenzierung entwickelt. Die Simulation aller Gebäude in Wien würde Jahre dauern, unabhängig davon, dass die Datengrundlage für detaillierte Simulationsmodelle nicht vorhanden wäre. Um den Ansprüchen eines fundierten Entscheidungsunterstützungstools gerecht zu werden, werden die Ergebnisse als skalierbare Lastprofilsfunktionen der URBEM Simulationsumgebung zur Verfügung gestellt. Über ausgewählte Szenarienparameter werden die Lastprofilsfunktionen initialisiert und als Ergebnis zeitaufgelöste Energieverbrauchsprofile unter Berücksichtigung des Gebäudealters, der Gebäudetechnik und der Nutzung generiert. Die zeitaufgelösten Energieverbrauchsprofile stehen dann für einzelne Gebäude oder aber auch aggregiert für Gebäudeblöcke, Bezirke oder für die ganze Stadt innerhalb nur einer Stunde zur Verfügung. Die Validierung der Methoden hat gezeigt, dass das reale Energieverbrauchsverhalten sowohl auf Gebäudeebene, als auch auf städtischer Ebene durch die skalierbaren Lastprofilsfunktionen sehr gut dargestellt werden kann. Ebenso werden auch alle wesentliche Lastgangscharakteristiken, wie zum Beispiel durch das Gebäudealter, verschiedener Heizungs- und Warmwassertechnologien aber auch durch ein differenziertes Nutzungsverhalten, detailliert abgebildet.

The aim of URBEM is to research and develop an interactive environment for analyzing scenarios towards a sustainable, secure supply, affordable and liveable city by the example of Vienna in a holistic and interdisciplinary approach. The interdisciplinary team consisted of 10 PhD students including the supervision of 16 Professors within 5 different faculties along with many experts of the Wiener Stadtwerke Holding AG. The focus was not only to bundle different scientific models associated to the disciplines economy, sociology, building physics, thermal and electrical energy grids, mobility as well as informatics and spatial planning, but also to make them a compatible and holistic completed model within the URBEM simulation environment. In the context of urban development buildings are not only important due to their considerable contribution to the overall energy consumption, but also due to their significant interaction with human beings and the environment. The results presented in this doctoral thesis show a new established method in order to model buildings and their crucial energy load profile characteristics with respect to certain urban development scenarios. Thus, besides a comprehensive building cluster as well as several HVAC designs, a new method regarding the impact of social differentiation to energy load profiles has been developed. However, simulating all buildings within Vienna would take years, not to mention the lack of necessary data. In order to meet the requirements of an urban decision support tool, all results are provided as scalable energy load profiles to the URBEM simulation environment. Moreover, certain urban development scenarios can be used as initial parameters in order to create time sensitive energy load profiles with respect to the building cluster, the buildings HVAC design and its occupation. Within an hour, all time sensitive energy load profiles are available for either individual buildings, an entire district or even the entire city. The validation procedure concerning the use and accuracy of scalable energy load profiles has shown great accordance at the level of buildings as well as on the city scale. Furthermore, significant load profile characteristics, for instance the age of buildings, its HAVC design or the impact of social differentiated occupation scenarios, can been addressed on a very detailed level.