SIMULTAN - Simultane Planungsumgebung für Gebäudecluster in resilienten, ressourcen- und höchst energieeffizienten Stadtteilen

Abstract

Ausgangssituation/Motivation Studien zeigen, dass es große Potentiale bei der Effizienzsteigerung gebäudeübergreifender Energiesysteme gibt. Darüber hinaus erleben sowohl Bauträger als auch Nutzer in der Realität das Erwartungshaltungen in die Performance (Energiekosten, Komfort, etc.) nicht erfüllt werden. Die Schwierigkeiten in Planung, Ausführung und die unerwarteten Rückwirkungen in Energieversorgungssystemen sind im Allgemeinen auf den Verlust des Überblicks in komplexen ressourcen- und energieeffizienten Systemen und Kommunikations-schwierigkeiten unter den beteiligten Stakeholdern zurückzuführen. Inhalte und Zielsetzungen Momentan fehlen passende Werkzeuge um Planer-Innen von hocheffizienten Sanierungen und Neubauprojekten bei der integralen Planung und Entwicklung konsistenter Szenarien des Energiesystems und des Energieverbrauchsverhaltens der Nutzer-Innen zu unterstützen. Darüber hinaus benötigen Energieversorgungsunternehmen für die Entwicklungsplanung Tools, die die technologischen Möglichkeiten im Gebäudebereich und das Last- und Einspeiseverhalten konsistent mit dem Energieverbrauchsverhalten der Nutzer-Innen einschätzen. Ziel des Projektes ist eine Unterstützung für einen optimalen Planungsablauf von Gebäuden und Energieversorgungsnetzen unter Berücksichtigung der Systemrückwirkungen zu schaffen. Methodische Vorgehensweise Im Projekt wurde eine Methode zur Typologisierung des Energieverbrauchverhaltens der urbanen Bevölkerung erstellt. Hierfür wurde das Energieverbraucherverhalten erhoben und eine räumliche Verortung von Typologien nach Bezirk, Wohneinheit und Wohnfläche aufbereitet. Wesentliche Eckdaten zu den unterschiedlichen Typen im urbanen Kontext wurden herausgearbeitet und gegenübergestellt. Anschließend wurden die o.g. Typen hinsichtlich der "bevölkerungssensiblen" Modellierung des Energieverbrauchsverhaltens der urbanen Bevölkerung verglichen und bewertet. Darauf aufbauend wurden Szenarien zur Entwicklung des urbanen Energieversorgungssystems unter Berücksichtigung der gebäudetechnologischen Möglichkeiten erstellt. Außerdem wurden die Auswirkungen unterschiedlicher Tarifmodelle auf die Gesamtkosten der Wärmeversorgung für einzelne Wohngebäude in drei Wohngebäudekategorien untersucht und die entsprechende Gestaltung neuer Tarifmodelle getestet. Im Bereich Cyber-Security wurden mögliche Attacken auf ein Stromnetz untersucht, wie diese durchgeführt, entdeckt und verhindert werden können. Hierfür wurde Malware in Netzwerken simuliert. Um die integrale, simultane Planung optimaler Gebäudekomplexe zu unterstützen wurde ein Entscheidungsunterstützungstool auf Niveau Gebäude oder Gebäudeverband iterativ in enger Zusammenarbeit mit Planer-Innen aus den Bereichen Architektur, Bau- und Gebäudetechnik entwickelt. Es wurden Datenmodelle und Algorithmen zur Gegenüberstellung und Analyse von technischen Maßnahmen zur Resilienz- und Effizienzsteigerung mit minimalen Kosten ausgewertet und integriert. Außerdem wurde die interaktive und effiziente Zusammenarbeit mehrerer Fachplaner-Innen unter Berücksichtigung der Haftungs- und Gewährleistungsplicht in unterschiedlichen Szenarios getestet und optimiert. Anhand eines Wohnbaus und eines Bürobaus wurde die Tauglichkeit des Tools in Bezug auf Abbildung von Lüftungsanlagen, Anzeige und Bearbeitung der Geometrie, Verortung von Komponenten, Durchführung von Berechnungen (U-Wert Berechnung, Druckverlustberechnung, Verschattung, Simulation von thermischen Lasten) und Übersetzung in externe Datenmodelle überprüft. Ergebnisse und Schlussfolgerungen Im Projekt Simultan wurde ein Entscheidungsunterstützungssystem zur simultanen integralen multidisziplinären Planung von hocheffizienten Gebäudekomplexen entwickelt, welches als Analysewerkzeug für die Ausbauplanung von Netz- und Gebäudeplanung dient. Dabei entstanden mit Hilfe der entwickelten Methoden auf städtischem Niveau Prognosen eines zukünftigen Systems, die als systematische Grundlage für Szenarien für die Entwicklung des urbanen Energiesystems dienen. Aufbauend auf dem Verständnis des Gesamtsystems wurden neue Tarifmodelle zur Motivierung von optimalen Lösungen für das Gesamtsystem der Zukunft ausgearbeitet. Es wurden Metriken zur Auffindung von Malware in Netzwerken und eine entsprechende Maßnahmenliste entwickelt. Darüber hinaus wurde eine webbasierte Informationsvisualisierungsumgebung zur Anzeige komplexer Datenzusammenhänge in unterschiedlichen Detaillierungsgraden entwickelt - vom einzelnen Gebäude zu gesamten Stadtteilen. Darüber hinaus wurde ein simultanes Planungsumgebungstool entwickelt, welches unter anderem Geometrie als Schnittstellen für den Informationsaustausch zwischen einzelnen fachübergreifenden Komponenten nutzt. Es werden Beziehungen wie Nachbarschaft, Aggregation, Begrenzt-sein-durch oder Enthalten-sein-in in die Datenmodellstruktur übersetzt. Das Tool ermöglicht die Integration von Berechnungsmethoden auf Komponenten, Netzwerk, Zonen-, Gebäude- und Gebäudeverbandebene, die auf elementare mathematische Gleichungen, auf Netzwerk-Topologien oder auf komplexe webbasierte Simulationen basieren. Das Planungstool nutzt ein internes Datenmodell. Dieses ist eine verlinkte hierarchische Komponentensammlung - eine Komponente kann Parameter, Gleichungen und Sub-Komponenten beinhalten und jede Komponente kann von anderen Komponenten referenziert werden. Das Tool bietet einen Übersetzungsdienst an, der die Zuordnung von Teilen des internen Datenmodells zu externen beliebig komplexen Datenmodellen ermöglicht und von den einzelnen Benutzern beliebig erweiterbar ist. Dadurch können externe Berechnungstools angesprochen werden. Zur Versionsverwaltung und dem Management von Projektdaten, die von unterschiedlichen Stakeholdern verwaltet werden, wird eine Schnittstelle zu einem beliebig konfigurierbaren GIT Server genutzt. Ausblick In Simultan entstanden Tools mit verschiedenen Schnittstellen. Diese Schnittstellen können zu gängigen und zukünftigen Kommunikationsstandards, wie z.B. IFC für BIM, ausgebaut werden. Dadurch kann für die Zukunft ein verlustfreier Informationsaustausch mit anderen Werkzeugen, die auf bestimmte Aspekte des Planungs- und Managementprozesses spezialisiert sind, ermöglicht werden. Der wesentliche nächste Schritt wird eine für die Analysen geeignete Formulierung von Produktinformationen werden. Produkte vom Baustoff des Rohbaus über die Eigenschaften der Komponenten einer Gebäudeautomatisierung bis zu eingesetzten Geräten der NutzerInnen. Ein weiterer offener Punkt für die Weiterbearbeitung ist das rechtzeitige Erkennen von Konflikten (z.B. mehrere Bearbeiter ändern eine Wand) und die Unterstützung ihrer interaktiven fachgerechten Lösung durch entsprechende Algorithmen, Visualisierungs- und Managementmethoden. Dieser Punkt ist gerade in der effizienten interaktiven Planung von größter Wichtigkeit. Auf Basis der Erkenntnisse gibt es ein Nachfolgeprojekt mit den Flughafen Wien Schwechat und ein Smart City FFG Folgeprojekt, wo die Schnittstellen zu Berechnungstools und die Anwendung des Programms noch weiter ausgebaut werden.

Starting point/Motivation Studies show that there is significant potential for efficiency gain in energy systems encompassing not just a single building but entire building complexes. However, the expectations of building developers, operators and residents regarding performance (incl. energy cost, comfort, etc.) could not be met. The difficulties in the planning and construction process and the unexpected effects on energy supply systems can generally be traced back to the lack of insight and understanding of complex resource and energy efficient systems and to communication problems among the involved stakeholders. Contents and Objectives Currently, there is a shortage of appropriate tools that support planers during the renovation process of existing buildings or the planning of new buildings. Such tools should enable the development of consistent scenarios encompassing both the energy supply system and the typical behaviour of energy end-consumers. Energy suppliers on the other hand need tools that can take technological innovations in the building sector into account to determine a load and supply behaviour consistent with that of the end-consumers. The project aims to provide support for the optimisation of the planning process both of buildings and of energy supply networks within the context of the entire urban system. Methods The method for classification of energy end-consumer behaviour in an urban environment developed in project Simultan determines the spatial distribution of typical behaviours by means of a survey and by subsequently aggregating the findings according to region, residential unit and net living space area. Significant parameters of the various behaviour types were evaluated and compared within their urban context. Subsequently those parameters were analysed and their significance with regard to the "resident-sensitive" modelling of the energy end-consumer in urban areas was determined. This analysis provided the foundation for the definition of multiple development scenarios for the urban energy supply systems considering the potential of building technology. The impact of the various tariff models on the total cost of heat supply for single residential buildings in three categories as well as the resulting designs of new tariff models were tested. The requirement for support of an integral, simultaneous planning process of optimised building complexes resulted in the development of a tool for decision support on the level of a single building as well as on the level of a building complex. The design process was iterative and ran in cooperation with specialist planers in the areas of architecture, building physics and building services. This resulted in the design of data models and algorithms for comparative evaluation and analysis of technical measures for increasing the resiliency and efficiency of buildings while staying within the limits of pre-defined cost parameters. The interactive aspect of the planning process was tested within the context of several scenarios and optimized for efficiency and for compliance with the liability and warranty regulations. One residential and one office building were the main use cases for evaluating the tool in regard to the design of a ventilation system, the display and editing of geometry, the placement of components, the calculation of various system parameters (e.g. U value, pressure loss, shading, thermal loads, etc.), as well as the translation to external data models. Results The main result of project Simultan is the development of a decision support system for simultaneous integrated multi-disciplinary planning of highly energy efficient building complexes, which can be utilised additionally as an analysis and fine-tuning tool for energy supply network planning. The simulations on an urban level generated as part of the project were used as the basis for the design of multiple urban energy supply network development scenarios. These contributed to the improved understanding of the urban energy landscape and, consequently, to the development of new tariff models serving as additional motivation for finding efficient energy solutions in building development. Novel metrics for detecting malware in networks and a list of corresponding countermeasures were devised in the area of cyber security. The resulting complex informational landscape is presented in a web based information visualisation tool that incorporates multiple levels of detail - from a single building to an entire urban district. Furthermore, a tool for interactive integrated planning was implemented. It uses the geometry as one of the main interfaces for information exchange between different components of the data model belonging to the various stakeholders. Neighbourhood relationships, aggregation, limited-by or contained-in relationships are thus automatically translated into data structures. The tool enables the definition of calculations based on component parameters, network topology, zone, building or building complex groups. Those can be based on elementary mathematical functions, graph evaluations within networks, or on complex web based simulations. The tool uses its own data model. It is a linked hierarchical component collection - a component can have parameters, calculations and sub-components and an arbitrary number of other components can reference each component. The tools offers an upgradable translation service that enables the user to define a mapping between (parts of) this internal data model and (parts of) external data models of varying complexity. This facilitates the communication with external specialized tools. An interface to an individually configurable GIT server allows version control and support of project data managed by multiple stakeholders. Prospects / Suggestions for future research The tools developed in the context of project Simultan have a multitude of interfaces. Their number can be further expanded by implementing current and future communication and data exchange standards - e.g. BIM. This should enable loss- and distortion-free information exchange with other tools, developed for various other aspects of the planning and management process. Another open question is the timely detection and informative display of conflicts (e.g. several users working on the same wall) and the support of a real-time expert solution by providing appropriate procedures, visualisation and management methods. It is one of the most significant aspects of an efficient interactive planning tool. There are two follow-up projects based on the knowledge gained in project Simultan - one in cooperation with Flughafen Wien Schwechat and a Smart City FFG project. As part of those the interfaces to external tools and the usability of the Simultan tool are being developed further.