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EnEff:Campus: Energetische Systemoptimierung campusartiger Liegenschaften - RWTH Aachen und Forschungszentrum Jülich

EnEff:Stadt - Forschung für die energieeffiziente Stadt

Projekt-Beispielgebäude: Das Hauptgebäude des E.ON Energy Research Center der RWTH Aachen

© Holger Knauf

Steckbrief

Werkzeugtyp Planung, Bilanzierung/Optimierung
Laufzeit Januar 2011 - September 2014
Kürzel EnEff:Campus - Entwicklung eines integralen Planungshilfsmittels
Schwerpunkte

Projektbeschreibung

Im Rahmen des Projekts soll bis Ende 2014 ein Hilfsmittel auf Basis einer dynamischen Simulation zur energetischen Gesamtsystemoptimierung von campusartigen Liegenschaften entwickelt, validiert und an zwei Beispielen getestet werden. Dabei sollen Aussagen über die Potentiale auf den Campusgebieten der Forschungszentrum Jülich GmbH und der RWTH Aachen, Gebiet Melaten abgeleitet werden.

Ziele, Konzeption

Die Forschungszentrum Jülich GmbH sowie die RWTH Aachen besitzen beide ausgedehnte Fern- bzw. Nahwärmenetze unterschiedlichen Baualters. Eine Auslegung der Netze auf zukünftige Anforderungen im Hinblick auf energieeffizientere Strukturen mit geringeren Verbräuchen und die Ausnutzung von Wärmespeichereffekten auf verschiedenen Ebenen (Gebäude, Netze, etc.) ist mit dem heutigen Stand der Technik im Bereich der Planungswerkzeuge schwer umzusetzen. Dabei ist vor allem die Betrachtung dynamischer Effekte entscheidend um neue Regelungskonzepte unter Berücksichtigung von Speichereffekten entwickeln zu können.

Im Rahmen dieses Projekts sollen daher auf Basis einer zeitaufgelösten Gesamtsimulation in der Sprache Modelica Hilfsmittel entworfen werden, die diesen Anforderungen gerecht werden. Die thermohydraulische Simulation soll dabei alle relevanten Elemente enthalten (Gebäude, Verteilnetze, Erzeuger) und auf einem geeigneten Niveau abbilden. Dadurch kann der Aufwand für die Parametrisierung und die Rechenzeit der Modelle im vernünftigen Rahmen gehalten werden. Die Simulation soll vollständig modular aufgebaut sein, sodass besonders interessante Bereiche durch detailliertere Modelle ergänzt werden können. Die Datenbasis großer Liegenschaften ist je nach Baualter der verschiedenen Teilstrukturen sehr unterschiedlich. Um vorhandene detaillierte Daten nutzen und gleichzeitig bei schlechter Datenlage ausreichend genau arbeiten zu können, wird auch die Parametererfassung für die Simulation modular aufgebaut sein.

Ergänzt werden die Simulationsergebnisse durch umfangreiche Dauermessungen in den Liegenschaften. Aufgrund dieser Daten, die wiederum weitgehend alle Gebäude, das Verteilnetz und die Erzeuger umfassen, können Aussagen zur Energieeffizienz und Einsparpotentialen getroffen werden. Dabei sollen Maßnahmen nicht bezüglich einzelner Gebäude beurteilt werden, sondern im Kontext des Gesamtsystems gesehen werden. Die Fahrweise und Auslegung des Netzes und der Erzeuger stehen somit ebenfalls im Fokus.

Realisierung, Zwischenbilanz

Der Fokus der Projektarbeit liegt momentan auf der Erfassung der Datenbestände und der Entwicklung von Simulationsbausteinen. Die Datenlage in Jülich ist sehr gut und es konnten bereits viele langjährige Messreihen für Gebäude und deren Parameter erfasst werden. Auch Daten und Parameter zum Verteilnetz und den Erzeugern sind in großer Menge vorhanden. Die Datenlage auf dem Campus Melaten ist etwas unvollständiger und wird derzeit noch erfasst. Dies bietet eine gute Möglichkeit, Ansätze für Klassifizierungen und Verallgemeinerungen bei verschiedenen Datenlagen zu entwickeln. Begleitend wurde umfangreich Messtechnik zur Erfassung der Wärmeströme im Wärmenetz installiert. Dies bietet die Möglichkeit eine umfassende Analyse des Wärmeverbrauchs auf Basis von Messdaten durchzuführen.

Im Bereich der Simulation wurde ein vereinfachtes Gebäudemodell in Anlehnung an die VDI 6007 entwickelt und in der Programmiersprache Modelica (in der Programmierumgebung Dymola) implementiert. Es wird ergänzt durch weitere Modelle zur Berechnung der internen und externen Lasten.

Zur schnellen Erfassung der unterschiedlichen Gebäude wurde ein Tool in das Hilfsmittel integriert, das auf Basis einfach zugänglicher Größen wie der Grundfläche einen typischen Datensatz abhängig von der Gebäudeklasse erstellt. Mit Hilfe des Tools wurde bereits die Hälfte aller Gebäude in Jülich modelliert und mit Messdaten verglichen. Dabei zeigte sich eine gute Übereinstimmung für den zeitaufgelösten Gesamtverbrauch auf Basis täglicher Werte. Die erstellten Gebäudemodelle können über eine Wärmeübergabestation an entsprechende Netzmodelle gekoppelt werden. Das Modell für eine solche Station wurde bereits entwickelt und verifiziert und wird nun durch optimierte Netzmodelle ergänzt.

Nächste Schritte, Perspektiven

Momentan wird an einer Datenbank gearbeitet, in die alle Daten (Messungen, Parameter, Simulationen) übertragen werden sollen um eine Vergleichbarkeit der Daten herzustellen und eine schnelle Verarbeitung der Daten zu ermöglichen. Analog zu der Datenbank für Messdaten wird derzeit an der Repräsentation der Liegenschaften in geografischen Informationssystemen (GIS) gearbeitet, in die im Rahmen eines Gebäude-Informationsmodells (BIM) alle relevanten Auslegungsdaten eingebunden werden sollen.

Parallel zu der Simulation wird eine genaue Analyse der vorhandenen Messdaten durchgeführt, aus der sich Aussagen über den Zustand und erste Potentiale zur Energieeffizienz der Liegenschaften gewinnen lassen.

Im Bereich der Simulation werden im Laufe des Jahres 2013 weitere Modelle entwickelt und verfeinert, um auch die Netz- und Erzeugerstrukturen abbilden zu können. Daraus lassen sich wiederum Anforderungen an die Datenaufnahme und Parameterentwicklung ableiten. Ziel ist es, zeitnah eine Abbildung der beiden Liegenschaften inklusive der Gebäude und der entscheidenden Netzstrukturen zu schaffen. Das eingebundene Tool zur Typisierung von Gebäuden ist zurzeit auf Büro- und Wohngebäude beschränkt. Da in den Liegenschaften viele Laborgebäude vorhanden sind, soll das Tool um die Typisierung von Laboren ergänzt werden. 

Projektpartner

In das Projekt sind drei verschiedene Partner eingebunden. Die Forschungszentrum Jülich GmbH vertreten durch die Abteilung G-EL übernimmt das Monitoring und die Aufbereitung der Messdaten für die Gebäude und Versorgungsnetze des Forschungszentrums Jülich. Außerdem werden alle für die Untersuchung benötigten Parameter der Gebäude und Netze zu Verfügung gestellt.

Das Dezernat 10 – Facility Management der RWTH Aachen übernimmt in Zusammenarbeit mit dem E.ON Energy Research Center, Institute for Energy Efficient Buildings and Indoor Climate an der RWTH die Messdaten- und Parametererfassung für den Campus Melaten der RWTH Aachen.

Die Auswertung und Analyse der Daten, die Ausarbeitung und Umsetzung des Planungstools, die Erstellung von Energiekonzepten sowie die wissenschaftliche Betreuung und Auswertung werden vom Institute for Energy Efficient Buildings and Indoor Climate des E.ON Energy Research Centers der RWTH Aachen übernommen. 

Kenndaten RWTH Achen – Campus Melaten
  • Kommune
    Aachen, Nordrhein-Westfalen
  • Kommune in Zahlen
    Fläche: 160 km²; Einwohner: 260.000
  • Siedlungstyp
    öffentliche Forschungseinrichtung
  • Nutzungstyp
    Wissenschaft 
Kenndaten Forschungszentrum Jülich
  • Kommune
    Jülich, Kreis: Düren, Nordrhein-Westfalen
  • Kommune in Zahlen
    Fläche: 2,2 km²; Einwohner: 4.800
  • Siedlungstyp
    öffentliche Forschungseinrichtung
  • Nutzungstyp
    Wissenschaft
  • Altersstruktur
    120 Gebäude und Bauwerke mit Baujahren zwischen 1960 und 2012
  • Bau- und Sanierungszustand
    gemischt – teils Sanierungsbedarf
  • Heizungssysteme
    Wärmenetze Fernwärme
  • Website des E.ON Energy Research Center
  • Website des Forschungszentrums Jülich