DESCity: district energy simulation using CityGML models

Malhotra, Avichal; van Treeck, Christoph Alban (Thesis advisor); O' Donnell, James (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2023)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2023

Kurzfassung

Global gesteigerte Energiebedarfe bedingen Maßnahmen zur Verbesserung der energetischen Performance des Gebäudebestands auf dem Quartiers- und Gebäudelevel durch präzise Energiebedarfsschätzungen, Sanierungsmaßnahmen und der Anerkenntnis energieeffizienter Lösungen in der umbauten Umgebung. Datenmengen und -typen für energetische Kalkulationen auf Quartiersebene sind oftmals unbekannt, wodurch Entscheidungsträger:innen mit dem Dilemma konfrontiert werden, Datenquellen unterschiedlicher Güte in Abhängigkeit des stakeholderseitig wahrgenommenen Wertes zu entwickeln. Es mangelt an robusten Indikatoren, die Stadtplaner:innen und politische Entscheidungsträger:innen potentiell in der Priorisierung von Ressourcen für Maßnahmen zur Energiebedarfsreduktion unterstützen können. Vor dem Hintergrund inkohärenter Rechenmodelle und der Notwendigkeit, Nutzer:innen über die Implikationen der Datenbeschaffung zu informieren, erscheint die Entwicklung standardisierter Methodiken für die optimale Modellierung, Speicherung, und den Austausch quartiersbasierter physikalischer, umwelttechnischer, geometrischer, und kontextueller Daten geboten. Urban Building Energy Modelling (UBEM), eine Technik zur quantitativen Modellierung von Quartieren, unterstützt in der Definition georeferenzierter, gebäudebezogener Daten und energiespezifischer Attribute für die Berechnung und Identifikation von gebäudebezogenen Energie-Performance-Indikatoren. UBEM assistiert bei der Quantifizierung des Gebäudeenergiebedarfs und -verbrauchs, und der Effekte auf die Energiebedarfe umliegender Gebäude. Die Technik ermöglicht die virtuelle Modellierung der umbauten Umgebung und die Repräsentanz individueller Gebäude in Form von Datenmodellen. Diese Modelle beinhalten eine standardisierte Struktur zur Speicherung und zum Austausch gebäudespezifischer Daten, und erlauben die Erweiterung mit energiespezifischen Attributen für Energiesimulationen. Ein solches Modell, die City Geographical Markup Language (CityGML), ist weitverbreitet in der UBEM-Community und wird in energiebezogenen Anwendungen eingesetzt. Obwohl das Modell weitverbreitet ist, sind dessen begrenzte Verfügbarkeit, Inkonsistenz, Komplexität und Reproduzierbarkeit Gegenstand andauernder Debatten. Folglich beleuchtet diese Dissertation die Stärken und Schwächen von CityGML und entwickelt neuartige Lösungen zur Überwindung der identifizierten Beschränkungen im Einsatz für UBEM. Diese Arbeit nutzt eine UBEM-basierte Methodik zur Implementation und führt Methoden ein, die Stakeholder:innen in verschiedenen Etappen des quartiersbasierten Energiesimulationsprozesses unterstützt. Die vorgestellten Methoden sind in DESCity konsolidiert und erleichtern die Erzeugung und den Einsatz von CityGML Gebäudemodellen mit dem Input von Rohdaten, und stellen Techniken zur Anreicherung der Modelle mit energiespezifischen Attributen bereit, die für Heizenergiebedarfssimulationen benötigt werden. Die entwickelten Methoden werden als DESCity konsolidiert, mit dem Ziel, die Anwendbarkeit von CityGML in UBEM zu erhöhen, indem Nutzer:innen verschiedener Erfahrungsstufen die Methoden semiautomatisch anwenden. Die implementierten mathematischen Modelle und entwickelten Prozessalgorithmen ermöglichen Nutzer:innen die Modellierung, Validierung, Transformation, Anreicherung, und Simulation von CityGML-Gebäudemodellen ohne explizites Modellieren und mit einem hohen Grad der Nutzbarkeit. Die vorgestellte Methodik von DESCity stellt Funktionen bereit für die Analyse, Suche, und Validierung bestehender CityGML-Gebäudemodelle in der CityGML Analysis Toolbox (CityATB). Die Methodik beinhalt ebenfalls CityGML Building Interpolation Tool (CityBIT) zur Erzeugung neuer Gebäudemodelle mithilfe nutzer:innenspezifischer Inputs und Interpolationstechniken. Das ebenfalls in DESCity enthaltene CityGML LoD Transformation Tool (CityLDT) ermöglicht die Transformation der Granularität eines CityGML-Modells zur Hoch- oder Niederskalierung des City GML Levels of Detail (LoD). Der entwickelte Prozess von CityGTV erleichtert die geometrische Transformation und Validierung von Gebäudemodellen in Abhängigkeit von den Nutzer:innenbedarfen. Zur Erweiterung geometrischer Datenmodelle mit energiespezifischen Attributen enthält DESCity das CityGML Enrichment Tool (CityEnrich) und TEASER+ jeweils zur manuellen und archetypbasierten Anreichung. Abgesehen von der Anreicherung von Gebäudemodellen mit energiebezogenen Daten ermöglichen beide workflows den Export eines angereicherten CityGML Modells in Form der Energy Application Domain Extension (Energy ADE). Jeder Workflow in DESCity hat ein eigenes User Interface. Die Funktionalitäten der Plattform sind open-source verfügbar. Diese Dissertation beleuchtet die angepasste Methodik und Implementierung der zuvor benannten Funktionen, und demonstriert die Anwendbarkeit der Module von DESCity in quartiersbasierten Heizenergiebedarfssimulationen. Weiterhin reflektiert sie kritisch die aktuellen Limitationen der Entwicklung und diskutiert abschließend potenzielle Zukunftsfelder für weitere Entwicklungen und Forschungsbedarfe. Stadtplaner:innen, politische Entscheidungsträgerinnen und Ingenieur:innen können die entwickelte Methodik verwenden für die Modellierung, Anreicherung, und Simulation von Gebäudemodellen für die Identifikation von Heizenergiebedarfen und des Energieeffizienzpotentials, insbesondere auf Quartiersebene. Der vorgestellte Ansatz reduziert die Notwendigkeit einer expliziten Modellierung von Gebäuden im urbanen Maßstab. Er bemächtigt Stakeholder:innen dazu, 3D-Gebäudemodelle in CityGML zu erzeugen, validieren, analysieren und simulieren. Das vorliegende Werkzeug kann genutzt werden für die Entwicklung digitaler Repräsentanzen urbaner Gebäude anhand begrenzter Daten und Ressourcen. Die entwickelte Methodik kann in bestehende Prozesse und Programme integriert werden zur Unterstützung von Datenaustausch und -reproduzierbarkeit.

Einrichtungen

  • Lehrstuhl für Energieeffizientes Bauen [312410]

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