Parametrierbare Gebäudemodelle für dynamische Energiebedarfsrechnungen von Stadtquartieren

Aachen / E.ON Energy Research Center, RWTH Aachen University (2018) [Buch, Doktorarbeit]

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Kurzfassung

Diese Arbeit stellt eine Methodik und ein Software-Framework vor, welche eine dynamische Energiebedarfsrechnung von großen Gebäudebeständen auf Basis weniger Eingangsdaten erlauben. Solche zeitaufgelösten Bedarfsrechnungen bilden die Grundlage für Konzepte zur Steigerung der Energieeffizienz wie innovative Regelungskonzepte und optimale Auslegungsstrategien von Wärmeversorgungssystemen. Die Methodik umfasst dabei vereinfachte und dennoch dynamische Gebäudemodelle, die den Anforderungen hinsichtlich Rechenzeit und Modellkomplexität auf Stadtteilebene gerecht werden. Zusätzlich beinhaltet die Methodik ein Verfahren, das es ermöglicht, die Gebäudemodelle auf Basis weniger und einfach erfassbarer Eingangsdaten vollständig zu parametrieren. Beide Teilbereiche, Parametrierung und Modellierung, sind in einen übergreifenden Prozess zur Automation der Werkzeugkette eingebunden. Für die Umsetzung der Methodik kommen die Programmiersprache Python und die Modellierungssprache Modelica zum Einsatz. Die Parametrierung beruht auf Archetypen für Wohn-, Büro- und Institutsgebäude, welche eine Anreicherung der erfassten Daten mittels statistischer Aussagen zum jeweiligen Gebäudetyp erlauben. Der Archetyp für Institutsgebäude basiert auf statistischen Analysen des Gebäudebestandes von zwei Forschungsliegenschaften. Die Gebäudemodelle basieren auf einem thermischen Netzwerkmodell reduzierter Ordnung mit zwei Zustandsvariablen, dessen Grundlagen in der Richtlinie VDI 6007-1 (2015) beschrieben werden. Im Rahmen einer Charakterisierung verschiedener Modellvarianten zeigt sich, dass ein Modell zweiter Ordnung die beste Wahl hinsichtlich Rechenzeit und Komplexität darstellt. Die entsprechende Variante verwendet jeweils eine Zustandsvariable für Innen- und Außenbauteile plus einen separaten thermischen Widerstand für die Abbildung der Fenster.Die Untersuchungen von drei Anwendungsfällen zeigen, dass sich das Software-Framework zur Simulation großer Liegenschaften bei geringer Datenlage eignet. Am Anwendungsfall einer der analysierten Forschungsliegenschaften ergeben sich für Simulation und Messung des zeitaufgelösten Wärmebedarfs aller Gebäude Abweichungen von unter 3% für den Jahreswärmebedarf. Auch der zeitliche Verlauf wird mit einem Bestimmtheitsmaß von 0,894 gut wiedergegeben. Alle Teile der Methodik erfüllen die Kriterien der Verifizierbarkeit, Genauigkeit, Transparenz, Stabilität und Flexibilität. Sie können einen Beitrag im Bereich der urbanen Energiesystemmodellierung leisten, wenn die Zielstellung des Anwendungsfalls die Nutzung einer archetypischen Parametrierung und von vereinfachten Gebäudemodellen zulässt. Die Parametrierung ist im Rahmen des Software-Frameworks in der Python-Bibliothek TEASER umgesetzt. Die reduzierten Gebäudemodelle sind Teil der Modelica-Bibliothek AixLib. Beide Bibliotheken stehen offen und frei unter https://github.com/RWTH-EBC/TEASER und https://github.com/RWTH-EBC/AixLib zur Verfügung.

Autorinnen und Autoren

Autorinnen und Autoren

Lauster, Moritz Robert

Gutachterinnen und Gutachter

Müller, Dirk
Nytsch-Geusen, Christoph

Identifikationsnummern

  • ISBN: 978-3-942789-59-2
  • REPORT NUMBER: RWTH-2018-230258