Evaluation of energy flexibility potentials based on building information modelling

Mit Energieflexibilität und integrierten Planungsstudien hat man seit langem versucht, die effektivsten Methoden zur Integration der volatilen erneuerbaren Energiequellen in die Energieversorgungssysteme von Gebäuden zu entwickeln. Eine Möglichkeit, diese Energiequellen in die Neubauten einzubeziehen, besteht darin, BIM in einer frühen Planungsphase eines Projekts einzusetzen. Die meisten Forschungen stimmen darin überein, dass BIM für die Konzeption durch Ausschreibung bis zur Planung einen hohen Mehrwert gegenüber den klassischen Planungsmethoden darstellt. BIM ist international fest etabliert, vor allem bei größeren Projekten. Viele Länder fordern bereits BIM bei größeren Bauprojekten: Beispielsweise in Großbritannien ist der Reifegrad von BIM in Stufen unterteilt, wobei Stufe 0 eine nicht digitale Umgebung beschreibt, während Stufe 4 BIM für alle Aspekte der Gestaltung und Dokumentation verwendet. Die britische Regierung hat bereits die Verwendung von BIM Level 2 eingeführt. Die Verwendung von kollaborativen digitalen Planungsmethoden, die aus grafischen und nicht grafischen Daten in einer integrierten Datenumgebung bestehen, wird ab 2016 für alle Regierungsbauprojekte vorgeschrieben. Die Entwicklung von Gebäudemodellen und Simulationsansätze im Kontext der Stromnetzintegration sind daher für die Zusammenarbeit und Integration von erneuerbaren Energiesystemen von wesentlicher Bedeutung. Die vorliegende Arbeit vergleicht die von anderen Forschern vorgeschlagenen Energieflexibilitätsdefinitionen, BIM- und IDA-ICE-Interoperabilitätsprobleme und Methoden zur Quantifizierung der Energieflexibilität mit den nachfolgenden Simulationen. Die vorgeschlagenen Methoden werden zur Bewertung der Energieflexibilitätspotenziale von drei repräsentativen Gebäudemodellen verwendet, und zwar ein Wohngebäude, ein Büro und ein Krankenhaus. Um die Vergleichbarkeit zu gewährleisten, wurden in den dynamischen Simulationen die entsprechenden österreichischen Klima- und Energiemixprofile verwendet. Basierend auf den enthaltenen Nutzungsinformationen werden die spezifischen Zonentypen durch die spezifischen synthetischen Last- und Belegungsprofile auf Basis der SIA 2024 Norm unterschieden. Die entwickelten Flexibilitätsregelungen für Heizung, Kühlung und das temperaturgeregelte Lüftungssystem erhöhen im Vergleich zu den Basiskontrollsystemen den spezifischen Energiebedarf, wobei eine CO2 Emissionsreduzierung erzielt wird. Wie die Simulation zeigt, stieß das flexible Kühlsystem 6 % weniger CO2 für das Wohngebäude, 12 % für das Büro und 13 % für das Krankenhaus aus. Ebenso verursachten die Heizungssysteme eine Emissionsreduktion von 4 % für das Wohnmodell, 6 % für das Büro und 10 % für die Modelle der medizinischen Kliniken. Die Ergebnisse zeigen, dass der spezifische Heizleistungsbedarf in Kombination mit einer hohen Belegung und damit verbundene Lüftungsraten für die lüftungsbasierten Heiz- und Kühlsysteme zu einer Reduzierung der CO2-Emissionen führt. Die Modelle mit höherem spezifischem Energiebedarf bieten höhere Flexibilitätspotenziale, da während der Stunden mit niedrigem Emissionsgrad mehr Heiz,- oder Kühlleistung an das Gebäude abgegeben werden kann. Erwartungsgemäß zeigen die durchgeführten Simulationen eine Abhängigkeit der Energieflexibilitätspotenziale der vorgeschlagenen Gebäudemodelle von solchen dynamischen Eigenschaften wie Klima, Lastszenarien und Mietverhältnissen, thermischen Eigenschaften und Geometrie des Gebäudes, Eigenschaften der HLK-Systeme sowie Komfort und Lüftungsratenanforderungen. Schließlich bietet die vorgeschlagene Methodik ein hohes Potenzial für die Umsetzung im Baubereich, indem die energetische Flexibilität eines Gebäudes in Übereinstimmung mit den spezifischen Randbedingungen erhöht wird und ein Mehrwert für die beteiligten Stakeholder geschaffen wird. Energy flexibility and integrated planning studies have long sought to develop the most effective methods of integrating the volatile renewable energy sources into building energy supply systems. One of the ways to incorporate these energy sources in the new constructions is to use BIM at an early planning stage of a project. Most researches agree that BIM can be useful for conception through tendering to planning, BIM is firmly established internationally mostly in larger projects. Many countries are already calling for BIM in bigger construction projects: in the UK, for example, BIM's maturity is subdivided into levels, with Level 0 describing a non-digital environment, while Level 4 uses BIM for all aspects of design and documentation in a building project. The UK Government has already introduced the use of BIM Level 2, i.e. the use of collaborative, federated models consisting of graphical and non-graphical data in a common data environment, for all government building projects as of 2016. The development of building modelling and simulation approaches in the context of power grid integration is therefore essential to facilitate collaboration and integration of renewable energy systems. The present thesis compares energy flexibility definitions proposed by other researchers, BIM and IDA ICE interoperability issues and energy flexibility quantification methodologies with the subsequent simulations. The proposed methodologies are used for the evaluation of energy flexibility potentials of three representative building models: residential, office and a medical clinic. In order to ensure comparability, the matching Austrian climate and energy mix profiles are used in the dynamic simulations. Based on the included usage information, the specific zone types are differentiated through the specific synthetic load and occupancy profiles by SIA 2024. The developed flexibility controls for heating, cooling and the temperature-controlled ventilation system increase the specific energy demands while providing the intended CO2 emission reduction in comparison to the baseline control systems. As the simulation show, the flexible cooling system emitted 6 % less CO2 for the residential building, 12 % for the office and 13 % for the medical clinic. Likewise, the heating systems caused a reduction in emissions by 4 % for the residential model, 6 % for the office and 10 % for the medical clinic models. The results reveal that the specific heating power demands combined with high tenancy and subsequent ventilation rates for the ventilation-based heating and cooling systems result in a reduction of CO2 emissions. The models with higher specific energy demand yield higher flexibility potentials, since more power can be delivered to the system during the hours of low emissivity. Further, the conducted simulations show a dependency of the energy flexibility potentials of the proposed building models on such dynamic properties as the climate, load scenarios and tenancy, thermal properties and geometry of the building, the properties of the HVAC systems, as well as comfort and ventilation rate requirements. Finally, the proposed methodology offers a high potential for implementation in the area of construction by way of increasing energy flexibility of a building in concordance with its specific boundary conditions and creating real added value to the involved stakeholders.