Bilanzierungstools für Quartiere sind wichtige Instrumente zur Analyse und Bewertung der Energie- und Ressourcennutzung in Quartieren. Sie helfen dabei, den Energiebedarf, die CO2-Emissionen und die Effizienz von Energiesystemen zu quantifizieren und den Lebenszyklus zu analysieren. Sie unterstützen auch bei der Identifizierung von Verbesserungsmöglichkeiten zur Reduzierung der Umweltauswirkungen über den gesamten Lebenszyklus eines Quartiers hinweg.
Tools zur Bilanzierung von Quartieren werden in folgenden Gebieten eingesetzt:
Open Plan ist ein Tool zur optimierten Planung des Energiesystems für die (Teil-)Versorgung des Strom- und Wärmebedarfs von Quartieren, Gewerbehöfen und der Industrie.
Anhand eines zellulären Ansatzes wird ein projektbezogenes Energiesystem ausgelegt. Die Optimierung dieser Energiesystemplanung ist die Kernaufgabe dieses Tools. Das auszulegende Energiesystem kann die Energieformen wie Strom, Wärme sowie Gas enthalten und kombinieren.
Funktionen im Tool
Kombination unterschiedlicher Erzeugungskomponenten und Bedarfskategorien ermöglicht die Gestaltung optimierter Systeme und Betriebsstrategien.
Integration offener Bibliotheken, z.B. Ressourcendaten und Grid-Komponenten sowie die Nutzung offener austauschbarer Formate.
TRNSYS ist eine modular aufgebaute, sehr flexible Simulationsumgebung, deren Einsatzmöglichkeiten von der dynamischen Berechnung einer einfachen thermischen Solaranlage bis hin zu komplexen Gebäuden und Systemen zur rationellen Energienutzung reichen. Das Programm ist ein Standardwerkzeug für Expertinnen und Experten weltweit zur Energiekonzeptentwicklung und Bewertung des Raumklimas.
Für die Anwendung im Kontext von Quartierssimulationen sind über Gebäudesimulationen Lasten abzubilden. Das Versorgungssystem kann in der gleichen Simulationsumgebung modelliert werden. Die Deckung der Lasten werden dann unter detaillierter Berücksichtigung des Erzeugerverhaltens, der Netzverluste, Speichersysteme und Regelung modelliert.
Die Anwendung von TRNSYS ist insbesondere dann interessant, wenn über eine Dimensionierung auf Basis von statischen Berechnungen hinaus das dynamische Verhalten von Quartierssystemen untersucht wird, beispielsweise wenn der Einfluss von Speichern und deren Dimensionierung analysiert und/oder die Regelung optimiert werden soll.
EHDO (Energy Hub Design Optimization) ist ein Open-Source-Webtool für die Auslegungsoptimierung von Energiezentralen auf Quartiersebene. Das Tool richtet sich u.a. an Stadtplanerinnen, Energieversorger, Wohnungsbaugenossenschaften, Ingenieurbüros, Architektinnen und Forschungseinrichtungen. Es ermöglicht Konzeptstudien in frühen Planungsphasen von Quartiersenergiesystemen, wenn grundlegende Entscheidungen über Technologieauswahl und Dimensionierung getroffen werden müssen. Zu beachten ist, dass sich die Detailtiefe des Optimierungsmodells im Wesentlichen auf lineare Zusammenhänge und Energiebilanzen beschränkt.
In der frühen Planungsphase fehlt oft eine systematische Methodik zur Ableitung optimaler Investitions- und Technologieentscheidungen. EHDO adressiert diese Herausforderung, indem es ein Mixed-Integer-Linear-Programming (MILP)-Optimierungsmodell mit einer benutzerfreundlichen Weboberfläche kombiniert. Das Tool ermöglicht kurze Rechenzeiten durch Gurobi 9.5 und erlaubt Nutzern, schnell verschiedene Szenarien und Versorgungskonzepte zu berechnen und zu vergleichen.
EHDO bildet eine Vielzahl von Energieerzeugungsanlagen und -speichern aus verschiedenen Sektoren und Technologien ab. Dazu gehören erneuerbare Energien, konventionelle Wärmeerzeuger, Wasserstofftechnologien, Wärmepumpen sowie Energiespeicher für Wärme, Kälte und Strom.
EHDO ermöglicht die Optimierung nach Kosten oder Emissionen mit einstellbaren Gewichtungsfaktoren, was eine flexible Anpassung an projektspezifische Zielsetzungen erlaubt.
Als Eingabeparameter dienen jährliche Zeitreihen von Energiebedarfen für Wärme, Strom, Kälte und Wasserstoff in stündlicher Auflösung sowie relevante Wetterdaten. Nutzer können aus einer breiten Auswahl von Erzeugeranlagen und Energiespeichern wählen und technische Parameter (z.B. Wirkungsgrade), ökonomische Parameter (z.B. Investitionen, Energiekosten) sowie ökologische Parameter (z.B. energieträgerspezifische CO2-Emissionen) anpassen.
Die Ergebnisse umfassen die optimale Technologieauswahl und Anlagengrößen der Energiezentrale mit detaillierter Aufschlüsselung von Energieerzeugung, Kosten und Emissionen. Zusätzlich können Zeitreihen für Energieströme des optimierten Anlagenbetriebs für ein repräsentatives Jahr ausgegeben werden.
Mit dem Quartiersgenerator können städtische Gebäudebestände in Quartiersmodellen abgebildet werden. Es handelt sich um ein Open-Source-Webtool für Akteure, die in die frühen Planungsphasen von Quartieren involviert sind und grundlegende Daten wie zeitaufgelöste Profile der Strom- und Wärmebedarfe benötigen. Sie können beispielsweise aus den Bereichen Stadtplanung, Energieversorgung, Wohnungsbaugenossenschaften, Ingenieurbüros, Architektur oder Forschungs kommen.
Zu Beginn der Erstellung von Quartierskonzepten fehlen oft grundlegende Daten wie zeitaufgelöste Profile der Strom- und Wärmebedarfe, was eine erste Bewertung von möglichen Energiesystemen für das jeweilige Quartier erschwert. Der Quartiersgenerator bietet die Möglichkeit, städtische Gebäudebestände in Quartiersmodellen abzubilden und damit Bewertungen verschiedener Quartierskonzepte zu ermöglichen. Mit der Aggregation verschiedener Datenquellen wird die automatisierte Zusammenstellung von Bauteilflächen der Gebäude und von U-Werten durchgeführt. Dies bildet die Grundlage für automatisierte Lastprofilberechnungen und die Auslegung dezentraler Anlagentechnik.
Darüber hinaus ermöglicht der Quartiersgenerator die Erstellung eines Energieausweises für das Quartier. Dieser kann zur vergleichenden Bewertung verschiedener Quartierskonzepte genutzt werden und stellt angelehnt an den Energieausweis für Gebäude eine einheitliche Übersicht ausgewählter Kennwerte dar.
Als Berechnungsgrundlage der Kennwerte dient die Betriebsoptimierung eines nutzerspezifischen Quartierenergiesystems. Die erzeugten Lastprofile und eine jedem Gebäude zuzuweisende Anlagentechnik werden dazu in ein lineares Optimierungsmodell überführt (MILP) und der Betrieb wird mithilfe des Solvers Gurobi 9.5 bezüglich der Betriebskosten optimiert. Diverse Technologieszenarien können so analysiert und die Effekte verschiedener Speichertypen oder Heizsysteme sowie die Auswirkungen unterschiedlicher Zielfunktionen wie die Maximierung der Selbstversorgung, Minimierung der CO2-Emissionen oder Reduzierung von Spitzenlasten bewertet werden.
Der Quartiersgenerator soll die Umsetzung nachhaltiger, sektorübergreifender Energiesysteme in Quartieren unterstützen. Dafür ermöglicht die Webanwendung mit einer intuitiven Benutzeroberfläche und minimalen Eingabeanforderungen die Berechnung zeitlich aufgelöster Bedarfsprofile sowie die Dimensionierung dezentraler Wärmeerzeuger gemäß DIN-Normen. Die Berechnung verschiedener Bewertungskriterien unterstützt die Untersuchung verschiedener Quartierstypen und Versorgungsszenarien in Bezug auf Technologieauswahl und -durchdringung. Dadurch wird eine Grundlage für den frühen Vergleich von Quartierskonzepten geschaffen.
Darstellung der Lastprofile im Bilanzierungstool Quartiersgenerator
Das Modul Lastprofile ermöglicht mit minimalen Eingabedaten (Gebäudetyp, Baujahr, Sanierungszustand, Fläche) sowie der Auswahl des Testreferenzjahres (2015/2045), des Klimaszenarios (kalt/normal/warm) und der Postleitzahl eine effiziente Berechnung der Lastprofile. Als Ergebnis werden zeitaufgelöste Bedarfsprofile für Heizwärme, Kälte, Trinkwarmwasser und Strom sowie Quartiersbilanzen mit Jahresenergiebedarf und Spitzenlast erstellt.
Im Modul Energiezentrale können die zentralen Erzeugungs- und Speichertechnologien für das gesamte Quartier ausgewählt und die ökonomischen und ökologischen Parameter konfiguriert werden. Hierbei unterstützt das auch Onlinetool EHDO, das explizit bei der optimalen Auslegung von Energiezentralen zur Energieversorgung dient. Zusätzlich kann im Quartiersgenerator das Optimierungsziel (Kosten- oder Emissionsminimierung) definiert werden. Als Ergebnis liefert das Tool eine mittels MILP-Optimierung dimensionierte Anlagenkonfiguration, die unter Berücksichtigung aller technischen und wirtschaftlichen Randbedingungen optimal ausgelegt ist.
Das Modul Dezentrale Versorgung ermöglicht die gebäudescharfe Zuordnung von Erzeugern und Speichern, die Konfiguration ökonomischer und ökologischer Parameter sowie die Berücksichtigung von Normen zur Anlagenauslegung. Nach Definition der Optimierungsziele wird eine Betriebsoptimierung für das gesamte Quartier durchgeführt und ein standardisierter Energieausweis für das Quartier erstellt, der einen objektiven Vergleich verschiedener Versorgungskonzepte ermöglicht.
Der Quartiersgenerator wurde im Rahmen des öffentlich geförderten Projekts „BF2020 Begleitforschung ENERGIEWENDEBAUEN - Modul Quartiere“ und mit finanzieller Unterstützung des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) entwickelt. Das Tool wird am Lehrstuhl für Gebäude- und Raumklimatechnik der RWTH Aachen weiterentwickelt. Der Berechnungscode für das Webtool Quartiersgenerator kann einem Repository entnommen werden.
E4Q ist ein Tool zur Einbindung erneuerbarer Energien in die Energieversorgung vernetzter Quartiere (E4Q).
Das Excel-basierte E4Q-Quartiersbewertungswerkzeug ermöglicht eine Abschätzung der energetischen, ökologischen und ökonomischen Wirkung von vernetzten energetischen Quartierskonzepten. In einzelnen Schritten werden unterschiedliche Sanierungsvarianten in einem Bestandsquartier bilanziert und ausgewertet:
Im ersten Schritt wird der Status quo des betrachteten Quartiers definiert. Dazu stehen neun Typquartiere unterschiedlicher baulicher Struktur mit insgesamt 23 Varianten zur Verfügung. Als nächstes wird die Ausrichtung der Gebäude, das Baualter und der energetische Zustand sowie die Wärmeversorgung im Quartier angegeben.
Im zweiten Schritt können die Sanierungsvarianten ausgelegt und untersucht werden. Dazu erfolgen Angaben zur Gebäudehülle und zur Wärmeversorgung. Zur Auswahl stehen dezentrale oder auch vernetzte Lösungen auf Basis erneuerbarer Energien (Wärmepumpen, PV- und Solarthermieanlagen) sowie netzgebundene Wärme mit KWK-Anlagen oder Geothermie. Hier können auch Batteriespeicher in das Energiekonzept integriert werden.
Verschiedene Berechnungsparameter wie z.B. der Betrachtungszeitraum, erwarteter Preissteigerung o.ä. können hier eingestellt werden.
Zur Erreichung der EU-Klimaziele wurden europäische und deutsche Richtlinien zur Reduktion der Umweltbelastung durch Gebäude entwickelt. LCA-Datenbanken und Zertifizierungssysteme spielen dabei eine wichtige Rolle.
Der Bausektor ist für einen Großteil des Energieverbrauchs und Abfallaufkommens in Deutschland verantwortlich. Digitale Methoden und innovative Tools helfen dabei, Energieeffizienz sowie Wiederverwertung und Recycling zu gewährleisten und zu optimieren.
Das Internet hält eine große Vielzahl an Online-Tools zu den Themen Beratung, Bilanzierung, Gebäudehülle, Gebäudetechnik und erneuerbare Energien sowie Energieeffizienz und Nachhaltigkeit bereit. Einige können die Arbeit deutlich erleichtern.
