HOTSPOTS - Holistic thermographic screening of urban physical objects at transient scales

Ausgangssituation/Motivation

Bislang liegen stadtbezogene Daten in unterschiedlicher Qualität, Aktualität und räumlicher Auflösung fragmentiert bei unterschiedlichen Datenhaltern auf. Somit mangelt es an einer gemeinsamen Datenbasis konsolidierter und harmonisierter Datensätze. Aber sind bereits alle relevanten Informationen überhaupt erfasst? Energieeffizienz ist ein wichtiges Kriterium moderner Stadtplanung und Optimierung. Durch welche Datenerhebungen ist sichergestellt, dass das Wissen um den tatsächlichen Energieverbrauch, um das Nutzerverhalten, sowie die Verursachung - im Gegensatz zur zeitlich/räumlich vermengten Auswirkung - zeitnah und ortsbezogen erfasst sind?

Inhalte und Zielsetzungen

HOTSPOTS verfolgt das Ziel, Städten Werkzeuge und wissenschaftlich fundierte Methoden in die Hand zu geben, um den aktuellen Zustand des Baubestandes hinsichtlich Energieeffizienz zu erfassen und Entscheidungsgrundlagen zu liefern, um diesen Zustand zu verbessern.

Im Rahmen des geplanten Projektes soll eine durchgängige Verfahrenskette erarbeitet und an der Modellstadt Gleisdorf validiert werden, die Städten zukünftig helfen soll, Optimierungspotentiale zu erkennen, zu bewerten und treffsicher zu adressieren. Künftige Auswahlverfahren im Bereich von baulichen Maßnahmen der Stadtentwicklung sollen auf eine nachvollziehbare und (mess-)datengetriebene Basis gestellt werden, die das Risiko von ad-hoc Entscheidungen oder Fehlinvestitionen reduziert.

Methodische Vorgehensweise

In HOTSPOTS wird eine methodisch geschlossene Verfahrenskette von ineinandergreifenden Projektmodulen realisiert.

Die Datengrundlage des Projektes bildet ein sog. 3D Thermalkataster, welcher aus Luftbildaufnahmen generiert wird. Aufgabe ist hierbei die flächendeckende Erfassung von Thermaldaten im Stadtgebiet. Die Einzelbilddaten werden zur einer holistischen stadtweiten Datenbasis verknüpft und in die dritte Dimension gehoben, indem 3D Gebäudemodelle aus den Bilddaten abgeleitet werden.

Im 3D Thermalkataster werden dann "Critical Spots" identifiziert. Critical Spots in der Stadt definieren Infrastrukturzellen auf Distriktebene, die ein besonders großes Potential zur Optimierung aufweisen. Diese Bereiche werden dann in den folgenden Projektmodulen im Detail analysiert.

Eine Detailanalyse dient der selektiven Verbreiterung der Datenbasis innerhalb einer ausgewählten Infrastrukturzelle. Dies umfasst eine mobile Datenaufnahme mit einem UAV, insbesondere zur detaillierteren thermischen Analyse und zur Generierung von 3D
Gebäudemodellen, aus welchen für Optimierungsmaßnahmen relevante geometrische Parameter abgeleitet werden können. Als weiterer Forschungsaspekt wird die punktuelle Erfassung und Verdichtung der Daten im Sinne eines dreidimensionalen Luftgasschichtenmodelles untersucht.

Basierend auf diesen Daten wird dann eine gezielte Schwachstellenanalyse der eingeschlossenen Infrastrukturelemente durchgeführt. Anschließend erfolgt die Erstellung eines Effektivmaßnahmenkataloges, inklusive Einflussfaktoren für die definierten Critical Spots in der Stadt, welche ein besonders großes Potential zur Optimierung aufweisen.
Zusätzlich wird ein Decision Support Instrument für die interaktive Auswahl, Verortung von Energieeffizienzmaßnahmen und der Simulation der sich ergebenden Effekte mit der Berechnung von optimalen Maßnahmenkombinationen für Teilräume eingesetzt.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen

Die Highlights des Projekts können wie folgt zusammengefasst werden:

• Messtechnische und datengetriebene Innovationen:
  - Flächendeckende Thermographie des Stadtgebiets in 3D durch einen eigens entwickelten multisensorialen Messkopf
  - Messtechnische Erfassung und Generierung eines dreidimensionalen Luftgasschichtenmodelles
  - Einsatz von Heißluftballons und UAVs in der Datenaufnahme
  - Korrektur der gemessenen Thermalmessdaten durch semantische Interpretation der Bildinhalte
  - Methodischer Zugang zur Integration von thermischen und statistischen Daten
• Semi-automatisches Update der Zustandsdaten durch neuerliche Befliegung und damit die Möglichkeit eines Monitoring der Effekte von Energieeffizienz und Heizungsoptimierungsmaßnahmen im Hinblick auf die Erfüllung von Smart City Zielen.
• Simulation der bauzustandsabhängigen individuellen Energieeinsparungsmaßnahmen auf unterschiedlichen räumlichen Skalen
• Realistisch umsetzbare Lösungswege aufzuzeigen, die eine höchstmöglich erneuerbare bzw. CO2-neutrale Umsetzung von Sanierungsstrategien erlauben
• Entwicklung von konkreten Umsetzungsszenarien in Verbindung mit kurz-, mittel- und längerfristigen Maßnahmenplänen.
• Generierung von Methoden und Bewertungszahlen, die eine Übertragbarkeit der Erkenntnisse auf andere Kleinstädte und Stadtteile erlauben

Ausblick

Die im Projekt entwickelte Verfahrenskette wurde am Beispiel der Stadt Gleisdorf evaluiert und die vorgeschlagenen Optimierungsmaßnahmen durch Begehungen verifiziert. Die entwickelten Methoden sind aber problemlos für andere Gemeinden und Städte anwendbar.

Die Datenaufnahme für die Berechnung des 3D Thermalkatasters erfolgte in Gleisdorf durch eine Befahrung mit einem Heißluftballon. Dies erwies sich zwar grundsätzlich als praktikabel und kostengünstig, allerdings musste besonderes Augenmerk auf die vorherrschenden Wetter- bzw. Windbedingungen gelegt werden. In zukünftigen Untersuchungen könnten Datenaufnahmen auch per Leichtflugzeug oder Helikopter getestet werden, um Alternativen aufzuzeigen.

Zukünftige Anwendungsszenarien können auch dabei helfen, ein noch besseres Verständnis für die Interpretation von Thermal- und Luftgüteinformation zu entwickeln, vor allem hinsichtlich der Unterscheidung relevanter Information von irrelevanten, tagesabhängigen Umwelt- bzw. Wettereinflüssen.

Die Praxistauglichkeit bzw. der Mehrwert der entwickelten Verfahrenskette wird vor allem dann ersichtlich werden, wenn in Zukunft konkrete Sanierungsmaßnahmen auf Basis der Simulationen mit Eigentümern und Entscheidungsträgern besprochen bzw. umgesetzt werden.

Projektleitung

Siemens AG Österreich
DI Claudia Windisch

Projekt- bzw. KooperationspartnerInnen

• Austrian Institute of Technology GmbH
• Arbeitsgemeinschaft ERNEUERBARE ENERGIE - Institut für Nachhaltige Technologien
• Stadtwerke Gleisdorf GmbH

Siemens AG Österreich
DI Claudia Windisch, Video Analytics
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A-8054 Graz
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E-Mail: Claudia.Windisch@siemens.com