Automatisierte Modellierung von Quartierswärmebedarfen auf Basis von 3D-Gebäudemodellen
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40 FACHTHEMA STADTENTWICKLUNG
Mit SimStadt lässt sich u. a. der Wärmebedarf von Quartieren ermitteln
Automatisierte Modellierung
von Quartierswärmebedarfen auf
Basis von 3D-Gebäudemodellen
Eine nachhaltige Wärmeversorgung von Bestands- und Neubauquartieren kann
maßgeblich dazu beitragen, die klimapolitischen Zielsetzungen Deutschlands und der
EU zu erreichen. Der 3D-Gebäudeenergie-Workflow-Manager SimStadt hilft dabei,
die energetische Quartiersplanung zu vereinfachen.
Eine Reihe von Förderprogrammen, Bebauungsstrukturen, Bauweisen zweckmäßige energetischen Maß-
beispielsweise der Kreditanstalt für und Nutzungsarten auf Quartiers- nahmen für ein Quartier festzule-
Wiederaufbau (KfW) oder des Bun- ebene – und hier vor allem im Be- gen, dabei andererseits jedoch nicht
desamts für Wirtschaft und Aus- stand – in der Regel nicht der Fall. auf einen etablierten Standardmix
fuhrkontrolle (BAFA), unterstützen Der hohe Unikatscharakter von an aktiven und passiven Maßnah-
Hausbesitzer bei Maßnahmen wie Quartieren, vor allem im verdichte- men zurückgreifen zu können.
der energetischen Sanierung der ten städtischen Raum, erschwert
Gebäudehülle, dem Einbau neuer zudem die Übertragbarkeit an Automatisierte Dimensionie-
Heiztechnik oder der Nutzung von dernorts erfolgreicher Konzepte. rung von Quartierswärme
Solarthermie. Während eine erste Quartiersentwickler, z. B. Energie- konzepten mit SimStadt
Einschätzung zum energie- und versorgungsunternehmen, Projekt-
kosteneffizientesten Maßnahmen- entwickler, die öffentliche Hand In solch frühen Phasen der energe-
mix auf Einzelgebäudeebene oft oder institutionelle Immobilienbe- tischen Quartiersentwicklung setzt
noch ohne detaillierte Objektunter- sitzer, stehen damit vor der Heraus- die urbane Energiesystemmodellie-
suchung möglich ist, ist dies auf- forderung, sich für einen zeit- und rungsplattform SimStadt an. Die
grund einer Vielzahl möglicher kosteneffizienten Planungsprozess Software ermöglicht es, die Wirt-
Variationen hinsichtlich Baujahren, einerseits möglichst frühzeitig auf schaftlichkeit und ökologische
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Nachhaltigkeit von Wärmeversor- Plus oder Sophena ab, deren Modell- und Toollandschaft, die
gungskonzepten zu untersuchen Anwendung für Variantenverglei- eine automatische Dimensionie-
sowie raum- und bauplanerische che zu Beginn eines Planungspro- rung von Wärmeversorgungs
Anforderungen zu analysieren – zesses meist zu aufwändig wäre konzepten für Neubau- und Be-
auch auf der Basis weniger und und für welche die benötigten Ein- standsquartiere auf der Grundlage
oftmals unscharfer Eingangsdaten, gangsdaten zumeist noch nicht in virtueller 3D-Stadtmodelle ermög-
wie sie zu Beginn eines Planungs- erforderlicher Qualität vorliegen. licht. Inputs, Outputs und Rechen-
prozesses im Regelfall verfügbar Die Entwicklung von SimStadt schritte sind schematisch in Bild 1
sind. Vorrangiges Ziel von SimS- begann 2012 unter Federführung dargestellt.
tadt ist dabei, energetische Aspekte der Hochschule für Technik (HFT) Als Eingangsdaten benötigt
in Entscheidungsprozessen früh- Stuttgart und wird seitdem konti- SimStadt lediglich ein digitales 3D-
zeitig berücksichtigen und be nuierlich fortgeführt. Der jüngste Gebäudemodell des Quartiers, In-
werten zu können sowie im weite- Entwicklungsschritt fand in Ko- formationen über den Sanierungs-
ren Planungsverlauf – unter sich operation mit der Mainzer Stadt- stand (im Gebäudebestand) bzw.
erfahrungsgemäß variierenden werke AG, der Stadtwerke Stuttgart den avisierten Baustandard (bei
Rahmenbedingungen und Priori GmbH, der GEF Ingenieur AG und Neubauten) sowie die individuelle
täten – fortlaufend gegeneinander der M.O.S.S. Computer Grafik Festlegung von Nutzerparametern.
abzuwägen. Im Sinne eines domä- Systeme GmbH im Rahmen eines So kann u. a. der Anteil der Spitzen-
nenübergreifenden Planungsansat- vom Bundeswirtschaftsministeri- last vorgegeben werden, der in ei-
zes ist es damit möglich, integrierte um geförderten Forschungspro- nem bivalenten Versorgungsfall
Wärmeversorgungskonzepte be- jekts (FKZ 03ET1459) statt. Kernziel durch den Wärmeerzeuger, z. B. ein
reits in die städtebauliche und ar- des Vorhabens war es, ein integ- Blockheizkraftwerk (BHKW), ge-
chitektonische Ausgestaltung von riertes Instrumentarium zu schaf- deckt werden soll. Damit eignet
Quartieren einzubeziehen. Damit fen, bestehend aus einer systema- sich der Ansatz gut für eine Ver-
grenzt sich SimStadt von detaillier- tischen Anwendungsmethodik gleichsanalyse verschiedener Ver-
teren Planungs- und Modellierungs- sowie einer Zusammenführung sorgungskonzepte in frühen Pha-
werkzeugen wie TRNSYS, Energy- der im Hintergrund agierenden sen des Planungsprozesses.
CityDoctor
Qualitätsprüfung
Anreicherung
3D-CityGML- Gebäude
Lidar-Daten
Model Attribute
Strombedarfs-
Gebäudephysik-
und Nutzungs- berechnung
SimStadt
Bibliotheken
Stanet-
3D-Gebäudeenergie- Wärmenetzauslegung Berechnungen
Energiesystem- Workflow-Manager
komponenten- Insel-
Bibliothek Simulationsumgebung
2D-Karte
Wärmebedarfs-
3D-Viewer berechnung
.csv Export
Wärmeversorgungs-
berechnung
PV-Potenzial-
Berechnung
Bild 1. Input-Output-Schema von SimStadt
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3D-Gebäudemodelle werden in energetischen Gebäudezustand Kennzahlen und Schlüsselindika-
Deutschland auf Beschluss der Ar- wird auf statistische Mittelwerte toren wie den Installations- und
beitsgemeinschaft der Vermes- der IWU-Gebäudetypologie2) für Betriebskosten sowie jährlichen
sungsverwaltungen flächende- Deutschland zurückgegriffen. Treibhausgasemissionen oder Pri-
ckend und bundesweit auf Basis Auf Basis des stündlichen Heiz- märenergiebedarf. Die hinterlegten
des Liegenschaftskatasters durch energiebedarfs kann SimStadt mit spezifischen Investitionskosten,
die jeweilige Landesvermessung der eingebetteten Simulationsum- z. B. für die Herstellung eines Wär-
geführt. Durch die Verschneidung gebung „Insel“ (www.insel.eu) im meleitungsnetzes, beruhen dabei
von Gebäudegrundriss und Beflie- nächsten Schritt verschiedene Va- auf langjährig ermittelten Erfah-
gungsdaten zur Höhenermittlung rianten der Quartierswärmever- rungswerten des Projektpartners
werden 3D-Gebäudemodelle in sorgung weitestgehend automa- GEF.
zwei Detaillierungsstufen erfasst: tisch dimensionieren. Die derzeit
ein extrudierter Grundriss mit hinterlegten Optionen umfassen Anwendung in Stadtquar
mittlerer Gebäudehöhe, dem Level sowohl zentrale als auch dezentrale tieren in Mainz, Stuttgart
of Detail 1 (LoD 1), und das Gebäude- Erzeugervarianten. Zu den zentra- und Rüsselsheim
modell mit standardisierten Dach- len Lösungen zählen Nahwärme-
formen im Level of Detail 2 (LoD 2)1). netze mit BHKW, Biomassekessel Die dargelegte Methodik wurde im
Attribute wie Nutzungsart des Ge- oder Sole-Wasser- bzw. Wasser- Zuge des Forschungsvorhabens
bäudes werden aus dem Liegen- Wasser-Wärmepumpe, jeweils mit anhand von drei unterschiedlichen
schaftskataster übernommen. Al- Spitzenlastkessel. Daneben können Quartieren evaluiert. Ein Bestands-
ternativ lassen sich aus dem frei auch dezentrale Lösungen wie Luft- quartier in Mainz, bestehend aus
verfügbaren Datenbestand von Wasser- und Wasser-Wasser-Wär- einer homogenen Neubau-Reihen-
Open Street Map in Kombination mepumpen auf Einzelgebäudeebe- haussiedlung sowie einem öffent-
mit Gebäudehöhen ebenso Gebäu- ne analysiert werden. Aufgrund des lich genutzten, teilsanierten Be-
demodelle im Detaillierungsgrad modularen Aufbaus von Insel las- standsensemble aus den 1960er- und
LoD 1 ableiten und für weitere Ana- sen sich weitere Versorgungsvari- 1970er-Jahren und verschiedenen
lysen in SimStadt verwenden, inso- anten zudem rasch definieren und Gewerbeeinheiten, repräsentiert
fern Attribute wie Baujahr und integrieren. ein typisches Stadtquartier mit ge-
Nutzungsart bekannt sind. Viele Im Fall zentraler Wärmeversor- mischter Nutzung. Ein Quartier im
Kommunen verfügen außerdem gungsvarianten verortet und di- Stuttgarter Stadtbezirk Feuerbach
über eigene 3D-Stadtmodelle im mensioniert SimStadt zudem ein weist dagegen eine hohe Bebau-
Detaillierungsgrad LoD 2. einfaches Wärmenetz mit den ungsdichte in Blockrandstruktur
Auf Basis des 3D-Gebäudemo- Kernparametern Durchflussrate aus vornehmlich Neubauten auf.
dells eines Quartiers wird in Sim und Leitungslänge. Der hinterlegte Als dritter Anwendungsfall diente
Stadt im ersten Schritt der Heiz- Algorithmus orientiert die Trassen- ein typisches suburbanes Wohn-
und Kühlenergiebedarf unter führung dabei prioritär entlang des gebiet der späten 1990er-Jahre in
Berücksichtigung des jeweiligen bestehenden oder geplanten Stra- Rüsselsheim, das vorwiegend aus
Sanierungsstands ermittelt. Für ßen- und Wegenetzes. Eine detail- Ein- und Zweifamilienhäusern be-
Neubauquartiere können 3D-Ge- liertere Netzmodellierung mit Ex- steht.
bäudemodelle z. B. aus einem stadt- pertentools wie Stanet (www.stafu. Im Mainzer Quartier wurden an-
planerischen Entwurf analog ein- de) kann bei Bedarf nahtlos über onymisierte und aggregierte Ge-
gebunden werden. Die stündlichen eine integrierte Datenaustausch- bäudewärmeverbrauchsdaten zur
Heizlasten werden gemäß DIN V schnittstelle vorgenommen wer- Validierung der automatisierten
18599 bzw. VDI 4710 berechnet. Bei den, was u. a. die Bestimmung von Wärmebedarfsberechnung (Bild 2)
fehlenden Informationen zum Wärmenetzverlusten und der Men- in SimStadt genutzt. Hier zeigte
ge des benötigten Pumpstroms er- sich im ersten Schritt eine Über-
möglicht und somit die Vergleich- schätzung des Wärmeverbrauchs
1)
inige Bundesländer stellen diese Mo-
E barkeit zwischen zentralen und durch SimStadt um 16 %, wobei
delle als Open Data unter der Datenli- dezentralen Lösungen verbessert. diese Diskrepanz auf den unbe-
zenz Deutschland 2.0 zur Verfügung Im letzten Analyseschritt ermög- kannten energetischen Zustand
(z. B. NRW unter https://www.opengeo-
data.nrw.de)
licht SimStadt einen Vergleich der einiger Nichtwohngebäude zurück-
2)
eutsche Wohngebäudetypologie, Ins-
D betrachteten Wärmeversorgungs- zuführen war. Wird für diese ein
titut Wohnen und Umwelt, 2015. varianten anhand festgelegter mittlerer Sanierungsstand nach
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IWU unterstellt, reduziert sich die
Abweichung im Jahresmittel auf
5 %.
In Bild 3 sind sowohl die simu-
lierten als auch die gemessenen
Daten auf monatlicher Basis zu se-
hen, wobei der gemessene Ver-
brauch nur in jährlicher Auflösung
vorliegt. Die Simulation in SimStadt
überschätzt dabei den Bedarf in
den Wintermonaten, während der
Bedarf in den Monaten der Über-
gangszeit unterschätzt wird. Die
Differenzen zwischen Verbrauch
bzw. Bedarf und Erzeugung werden
jeweils durch Netzverluste verur-
sacht.
Im zweiten Schritt wurde das vor
Ort betriebene Wärmeversorgungs-
konzept, bestehend aus einem
Holzhackschnitzelkessel für die
Grundlast und einem fossil befeu-
erten Spitzenlastkessel, in Sim Bild 2. Fallstudie Mainz: simulierter spezifischer Wärmebedarf in kWh/m2a
Stadt und Insel nachmodelliert. Die im unsaniert angenommenen Zustand; blau eingefärbte Gebäude sind nicht
Abweichungen zwischen Simulati- beheizt bzw. nicht an die Versorgung angeschlossen
on und Messdaten liegen hier im
Jahresmittel ebenfalls bei nur 6 %.
Für das Quartier in Stuttgart-Feu- SimStadt das Wärmenetzlayout einer mit Umweltwärme aus
erbach wurden exemplarisch zwei automatisch basierend auf dem be- einem Abwasserkanal gespeisten
zentrale Wärmeversorgungssyste- stehenden Straßennetz generiert, Wasser-Wasser-Wärmepumpe be-
me miteinander verglichen. Hierfür wurde das Straßennetz manuell für steht, handelt es sich beim zweiten
musste zunächst ein 3D-Gebäude- die Gegebenheiten des Neubau System um ein gasbefeuertes
modell erstellt werden, das die ge- gebiets optimiert (Bild 4). Während BHKW. Beide Systeme haben zu-
planten Neubauten enthält. Da ein Wärmeversorgungssystem aus dem einen gasbefeuerten Spitzen-
Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Gesamt
Bedarf
gemessen 1749
Bedarf
simuliert 1668
Erzeugung
gemessen 2 110
Erzeugung
simuliert 1980
0 500 1000 1500 2000 MWh 2500
Wärmemenge
Bild 3. Gemessener Verbrauch und simulierter Bedarf sowie gemessene und simulierte Erzeugung für die Fallstudie
Mainz
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effizienter gestalten. Eine nach wie
vor notwendige Detailauslegung
der verschiedenen Komponenten
kann zielgerichteter vorgenommen
werden. Darüber hinaus ist Sim
Stadt in der Lage, neben der Wär-
meversorgung auch Strom- und
Trinkwasserbedarfe sowie Photo
voltaikpotenziale auf Einzelge
bäudeebene in hoher zeitlicher
Auflösung zu modellieren. Dies er-
möglicht eine integrative und sek-
torübergreifende Analyse von
Quartierskonzepten auf Basis einer
konvergenten Datenbasis. Eine
entlang der Ressourcen Wärme/
Kälte – Strom – Wasser optimierte
Planung wiederrum ist ein maß-
geblicher Schritt in Richtung funk-
tionaler und nachhaltiger Stadt-
quartiere.
Bild 4. Wärmenetzlayout für die Fallstudie in Stuttgart-Feuerbach basierend
auf dem neuen Straßenlayout
M.Sc. Verena Weiler,
lastkessel und einen thermischen zu viel Wärme produziert. Es ist zu
Dipl. Ing. Eric Duminil,
Pufferspeicher. Da sich das Neu- vermuten, dass bei der Auslegung Prof. Dr. Bastian Schröter,
bauquartier derzeit noch in der der Wärmeerzeuger in der Baupha- Prof. Dr. Volker Coors
Hochschule für Technik Stuttgart,
Planung befindet, lagen zur Validie- se des Quartiers konservativ ge-
Stuttgart
rung keine realen Messdaten vor. plant wurde und die Anlage nach verena.weiler@hft-stuttgart.de
Vergleiche mit der Vorplanung zu heutigen Maßstäben deutlich zu eric.duminil@hft-stuttgart.de
bastian.schroeter@hft-stuttgart.de
Wärmebedarf und -erzeugung lie- groß ausgelegt wurde.
volker.coors@hft-stuttgart.de
fern jedoch eine gute Übereinstim- www.hft-stuttgart.de
mung. Darüber hinaus basiert das Optimierung des Quartiers-
Verfahren mit SimStadt auf einer planungsprozesses Dipl. Ing. Thilo Brüggemann
konsistenten Datenbasis, benötigt GEF Ingenieur AG, Leimen
thilo.brueggemann@gef.de
vergleichsweise wenige Inputdaten Die vorliegenden Forschungsergeb-
www.gef.de
und bietet zeitlich hochaufgelöste nisse belegen, dass es möglich ist,
Daten bei geringen Rechenzeiten. auch auf der Basis der wenigen im
Dipl. Ing. (BA) Bodo Balbach
Aufgrund der positiven Ergeb- Regelfall verfügbaren Eingangsda- Mainzer Wärme Plus GmbH, Mainz
nisse der beiden Fallstudien Mainz ten belastbare Resultate hinsicht- bodo.balbach@mainzer-waerme.de
www.mainzer-waerme.de
und Stuttgart soll anhand des drit- lich Wärmebedarfen und Versor-
ten Anwendungsfalls in Rüssels- gungsoptionen eines Quartiers zu
heim die Übertragbarkeit und Sta- generieren. Damit ist es möglich, M.Eng. Laura Goll
Stadtwerke Stuttgart GmbH, Stuttgart
bilität des Prozesses gezeigt Überlegungen und Entscheidungen laura.goll@stadtwerke-stuttgart.de
werden. Basierend auf dem simu- zu konkreten Versorgungsoptionen www.stadtwerke-stuttgart.de
lierten Wärmebedarf des Quartiers oder Sanierungsmaßnahmen be-
wurden ebenfalls wie im Fallbei- reits in frühen strategischen Pla- Dipl. Ing. Andreas Klöber
spiel Stuttgart zwei Systemkombi- nungsphasen auf eine belastbare M.O.S.S. Computer Grafik Systeme
GmbH, Taufkirchen
nationen simuliert; eine davon ist Datenbasis zu stellen. Auf diese akloeber@moss.de
das vor Ort bestehende System. Weise lässt sich der gesamte Pla- www.moss.de
Dabei zeigt sich, dass das System nungsprozess transparenter und
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