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

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, dass 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 PlanerInnen von hocheffizienten Sanierungen und Neubauprojekten bei der integralen Planung und Entwicklung konsistenter Szenarien des Energiesystems und des Energieverbrauchsverhaltens der NutzerInnen 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 NutzerInnen einschätzen. Ziel des Projektes ist es, eine Unterstützung für einen optimalen Planungsablauf von Gebäuden und Energieversorgungsnetzen unter Berücksichtigung der Systemrück-wirkungen 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 Geometrien 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

Im Projekt 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.

Projektleitung

E206 - Institut für Hochbau und Technologie, Technische Universität Wien

Projekt- bzw. KooperationspartnerInnen

• Schöberl & Pöll GmbH
• VASKO+PARTNER INGENIEURE
  Ziviltechniker für Bauwesen und Verfahrenstechnik GesmbH
• Wiener Stadtwerke Holding AG
• E280 - Department für Raumplanung, Technische Universität Wien
• E184 - Institut für Informationssysteme , Technische Universität Wien
• E302 - Institut für Energietechnik und Thermodynamik, Technische Universität Wien
• E370 - Institut für Energiesysteme und Elektrische Antriebe, Technische Universität Wien
• E389 - Institute of Telecommunications, Technische Universität Wien
• Wiener Netze GmbH
• Wien Energie GmbH
• Gemeinnützige Ein- und Mehrfamilienhäuser Baugenossenschaft reg. Gen.m.b.H.

Institut für Hochbau und Technologie
Forschungsbereich Bauphysik und Schallschutz
Technische Universität Wien
Projektleiter Univ.Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Thomas Bednar

Postadresse:
Karlsplatz 13/206/2
A-1040 Wien

Büro:
Adolf-Blamauer-Gasse 1-3/206/2
A-1030 Wien

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