Anwenderbericht EA Systems Dresden

Mit SimulationX und der Green-Building-Bibliothek eröffnen sich völlig neue Möglichkeiten für die gezielte Entwicklung neuer Energiekonzepte

Für den Entwurf komplexer Gebäude und Gebäudekomplexe greift EA Systems Dresden auf das Modellierungswerkzeug SimulationX zurück, um den multiphysikalischen Anforderungen gerecht zu werden.

Aufgabe

Innovative Energiekonzepte entwickeln

Das Ziel ist ambitioniert – mit der Novellierung der Energieeinsparverordnung (EnEV) im Oktober 2013 hat sich die Bundesregierung auf die Fahne geschrieben, bis 2050 einen nahezu klimaneutralen Gebäudebestand in Deutschland zu erreichen. Zudem steigen die Anforderungen an die Bewertungsmethoden, da sie nicht mehr länger von statischen Energiebilanzen ausgehen, sondern nun dynamisches Systemverhalten und Nutzerprofile betrachten. Es sind gesetzliche Rahmenbedingungen wie die EnEV oder das Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) zur Steigerung des Anteils erneuerbarer Energien an der Stromversorgung auf 80 % bis 2050, welche der ökologischen und ökonomischen Entwicklung letztlich Rechnung tragen sollen.

Reaktorkatastrophen in Fukushima und Tschernobyl führen uns vor Augen, dass die Kernenergie kein Allheilmittel ist und bestenfalls als Brückentechnologie taugt. Und selbst das ist nicht unumstritten. Aber es ist eben auch ein Fakt, dass die Verwendung fossiler Brennstoffe zur Energiegewinnung mittel- und langfristige Folgen für das Weltklima und damit letztlich auch für die globale Wirtschaft hat. Und so beginnt – wenn auch nur langsam – ein gewisses Umdenken beim Thema Energiegewinnung. In erster Linie wird dies jedoch von ganz nüchternen wirtschaftlichen Erwägungen getrieben, da fossile Energieträger in nicht all zu ferner Zukunft erschöpft sein werden, im gleichen Maße der globale Energiebedarf jedoch stetig steigt, was schon jetzt zu kontinuierlich steigenden Preisen führt. 

Um bei den Kosten durch Senkung des Energieverbrauchs gegenzusteuern und gleichzeitig dem Klimaschutz Vorschub zu leisten, gilt für die Sanierung wie auch für die Neukonzipierung gerade von Gebäuden der Grundsatz energetisch-effizienten Bauens. Dies beinhaltet nicht nur strukturelle Maßnahmen wie Dämmung und die Auswahl geeigneter Baustoffe, sondern auch die technischen Anlagen für die Energiegewinnung und -speicherung sowie deren Management unter Berücksichtigung schwankender Verfügbarkeit regenerativer Quellen wie Wind und Sonne. Hierbei kommt es zunehmend zu einer Dezentralisierung, weg von der klassischen Versorgung durch einen Anbieter hin zu lokalen, autonomen Systemen mit intelligenter Anbindung an das öffentliche Netz.

Der Entwicklung solch innovativer Energiekonzepte für Gebäude und Gebäudekomplexe hat sich EA Systems Dresden verschrieben. Dabei geht es vor allem um die Auslegung integrierter Energie- und Speichersysteme sowie die Steuerung automatisierter Prozesse durch computergestützte Regelungstechnik. Für den Entwurf derart komplexer Systeme greift EA Systems Dresden auf Modellierungswerkzeuge wie SimulationX zurück, um den Anforderungen dieses multiphysikalischen Ansatzes gerecht werden zu können. So entstand in Zusammenarbeit mit der TU Dresden und ESI ITI eine dedizierte Modellbibliothek namens Green Building für die Erstellung gebäudespezifischer Modelle in SimulationX, die u. a. in der Entwicklung eines ganzheitlichen Konzeptes für ein autarkes Gebäude in Dresden sowie für die Modernisierung eines kompletten Gebäudekomplexes in Lohmen (Sachsen) zum Einsatz kam.

Lösung

Green-Building-Bibliothek in SimulationX

Mithilfe der Green-Building-Bibliothek in SimulationX war es EA Systems Dresden möglich, in mehreren Projekten Energiekonzepte für einzelne Gebäude und ganze Anlagenkomplexe gezielt und effizient auszuarbeiten und umzusetzen. Das Mehrzweck-Referenzgebäude in Dresden veranschaulicht eine integrierte Lösung für intelligente Energiemanagementsysteme in Kombination mit erneuerbarer Energiegewinnung und -speicherung, welche ein Photovoltaiksystem, Wärmepumpen und Heizung, Speichersysteme sowie unterschiedliche Gebäudezonen und sogar Zusatzsysteme für Ladestationen elektrischer Fahrzeuge umfassen.

Neben der physikalischen Modellierung der einzelnen technischen Komponenten sind für eine ganzheitliche Betrachtung jedoch auch diverse Umgebungsvariablen wie der individuelle Energiebedarf und die jeweiligen Witterungsbedingungen entscheidend. So können in SimulationX verschiedene Nutzerprofile und ortsspezifische Wetterdaten für realistische Szenarien angelegt oder vorhandene Datenblätter verwendet werden. Für die Entwicklung der Steuersoftware, die dem Energiemanagementsystem zugrunde liegt, wurde das Gesamtsystem mit Hilfe der FMI-Schnittstelle (Functional Mock-up Interface) in eine SiL-Testumgebung integriert, um die jeweiligen Steueralgorithmen optimieren zu können.

Die daraus gewonnenen Erkenntnisse bildeten die Grundlage für den logischen nächsten Schritt, der die Einzelgebäudesimulation zu einem integrierten Quartiersenergieversorgungskonzept zusammenfasst. Die Aufgabe bestand darin, eine geeignete Lösung für die Modernisierung des historischen Stadtkerns zu erarbeiten unter Berücksichtigung der gesetzlichen Rahmenbedingungen und der örtlichen Gegebenheiten mit Blick auf die mögliche Verwendung erneuerbarer Energien.

Die Komplexität des Projekts nahm eine derart umfangreiche Dimension an, dass letztlich nur die dynamische Systemsimulation als probates Mittel in Betracht kam, um ausreichend schlüssige Ergebnisse zu erhalten. Die Verwendung einer virtuellen Lösung zur Berechnung und Analyse komplexer Systeme ermöglichte es EA Systems Dresden, auf einfache Weise insgesamt mehr als 70 Varianten für die Einzelgebäudeversorgung in zwei Szenarien für das vorgesehene Gebiet zu simulieren.

Dabei konnte auf die individuellen Anforderungen eines jeden Gebäudes eingegangen werden, um den optimalen Energiehaushalt zu bestimmen. Im Ergebnis ließen sich so die jeweiligen erforderlichen Modernisierungsmaßnahmen genau benennen, was für geringe Anschaffungskosten bei größtmöglicher Systemeffizienz sorgte.

Nutzen

Optimale Systemauslegungen effizient und zeitsparend berechnen und bewerten

Mit von SimulationX und der Green-Building-Bibliothek eröffnen sich völlig neue Möglichkeiten für die gezielte Entwicklung von neuen Energiekonzepten in der Gebäudetechnik und der Infrastrukturplanung. Dies schließt auch eMobility-Konfigurationen als Teil von umwelt- und sozialverträglichen Konzepten für Berufspendler ein. Durch anwendungsspezifische Modellelemente, Wetter- und Nutzerprofile sowie eine breite Schnittstellenunterstützung zur Einbindung in bestehende Werkzeugketten können optimale Systemauslegungen effizient und zeitsparend berechnet und bewertet werden.

Sowohl unter wirtschaftlichen Gesichtspunkten als auch für die Einhaltung gesetzlicher Rahmenbedingungen lassen sich durch Variantenrechnungen für diverse Komponenten und Energiekonzepte noch vor der Installation der eigentlichen Anlagen deren optimale Parameter unter dynamischen Bedingungen bestimmen.

Autonome Smart-Home-Systeme können so komfortabel in Echtzeit- und SiL-Szenarien entworfen und optimiert werden. Virtuelle Tests helfen dabei, Fehlerquellen und Optimierungspotentiale frühzeitig zu erkennen, um zeit- und kostenintensive Nachbesserungen am eigentlichen System zu vermeiden. Weitere Kostenersparnisse werden durch die verbesserte Energiebilanz von Gebäuden erzielt, was auch der Umwelt durch verminderte Emissionen zu Gute kommt.

Simulation in der Energietechnik

Die Einsteigerversion der multiphysikalischen Simulationssoftware SimulationX bietet unterschiedliche, vorkonfigurierte Anwendungspakete für verschiedene Aufgaben in der Energietechnik. Erfahren Sie mehr!

SimulationX für Einsteiger