Projektziel

Die Baubranche setzt sich seit mehreren Jahren mit dem Building Information Modeling (kurz BIM) auseinander. Während diese Methode in Architekturbüros vermehrt zur optimierten Planung eingesetzt wird, halten BIM-Methoden nur langsam Einzug in die TGA-Planung, die Ausführung und in die Betriebsphase von Gebäuden.

IN BUiLD.DIGITiZED entwickeln wir BIM-Methoden für die Inbetriebnahme und die betriebsbegleitende Optimierung von TGA-Anlagen und demonstrieren diese an einem Niedrigstenergiegebäude.

Damit gibt das Projekt einen Impuls zur breiten Anwendung von BIM-Methoden von der Entwurfsplanung über die Ausführung bis hin zur Inbetriebnahme. So können BIM-Methoden zielgerichtet genutzt werden, um Arbeitsplatzqualität und Energieeffizienz deutlich zu verbessern.

Das Regionale Innovationszentrum für Energietechnik (RIZ Energie) wurde im August 2020 an die Hochschule Offenburg übergeben. Das Gebäude wird durch die Europäische Union im Rahmen der EFRE-Förderung, durch das Land Baden-Württemberg, durch die Hochschule Offenburg und eine eigene Stiftung sowie durch die Stadt Offenburg finanziert. Bauherr ist das Land Baden-Württemberg, vertreten durch Vermögen und Bau (Amt Freiburg). Das RIZ Energie umfasst über 50 Arbeitsplätze in einer innovativen Umgebung sowie ein Technikum mit rund 800 m² Grundfläche und 8.000 m³ umbautes Volumen . Hier wird die Energieforschung der Hochschule Offenburg konzentriert und eine FuE-Plattform für die regionale Wirtschaft im Bereich der angewandten Energieforschung bereitgestellt.

Das Gebäude wird als netzdienliches Nullenergiegebäude realisiert und eine sehr hohe Arbeitsplatzqualität bieten. Erzeugungs-, Verteil- und Übergabesysteme werden dabei bedarfsgerecht, netzdienlich und energieoptimiert geregelt. Hier kommen neben etablierten Algorithmen sowohl optimierte konventionelle Regelstrategien als auch bei den Projektpartnern entwickelte, innovative Algorithmen zum Einsatz.

In diesem Forschungsprojekt sollen BIM-Methoden zunächst auf die Inbetriebnahme und im weiteren Verlauf auf die Betriebsführung hocheffizienter Gebäude angewendet werden. Dabei sind diese Methoden nicht das eigentliche Forschungsziel. Es geht vielmehr um deren Anpassung und Anwendung auf Automatisierung, Inbetriebnahme und Betriebsüberwachung. Damit bedient dieses Projekt den Förderschwerpunkt 3.1 „Gebäude und Quartiere“ der förderpolitischen Ziele im 7. Energieforschungsprogramm „Innovationen für die Energiewende“.

Das RIZ Energie ist integraler Bestandteil des Haupt-Campus‘ und wird als komplexes Energieverbundsystem mit seinem betriebsbedingten Energieverbrauch, seiner solaren Energiebereitstellung sowie den elektrischen und thermischen Energiespeicher in das lokale Energieversorgungssystem der Hochschule Offenburg eingebunden. Weiterhin wird es mit seinem netzdienlichen Betrieb in das lokale Stromversorgungsnetz der Stadt Offenburg eingebunden. Dafür kommen modell-prädiktive Betriebsstrategien zum Einsatz, die diese dezentrale Struktur im Sinne eines Bottom-Up-Ansatzes in das übergeordnete Energiesystem einbinden.

BIM-Methoden bieten hierfür eine hervorragend geeignete Datenstruktur und einheitliche Datenhaltung für die Informationen, die für die Entwicklung modell-prädiktive Regler notwendig sind. Herausforderungen liegen dabei in Bereichen

  • der automatisierten Generierung von maschinenlesbaren Strukturdaten aus Planungsdokumenten,
  • der Erfassung und sinnvollen Strukturierung der Informationen in einem BIM-Format für bestimmte Nutzungsfälle wie Inbetriebnahme (mit betriebsgeleitender Optimierung im ersten Betriebsjahr), Automatisierung und Betriebsüberwachung,
  • der Qualitätssicherung des energetischen Anlagenbetriebs und
  • der kontinuierlichen Verbesserung komplexer Regelalgorithmen.

Menschen verbringen einen Großteil ihrer Zeit in Gebäuden und können über lange Zeiträume Schadstoffen, die sich in der Raumluft befinden, ausgesetzt werden. Raumluftparameter wie Temperatur, relative Feuchte, und Kohlendioxid werden heute in modernen Gebäuden oft erfasst und als Regelgröße verwendet, um ein behagliches Raumklima zu gewährleisten. Hingegen werden leicht flüchtigen organischen Substanzen (VOC, Carbonylverbindungen) und Feinpartikeln in der Raumluft in den meisten Fällen nicht gemessen, oder dann nur mit sehr unspezifischen Sensoren, die keine präzise Charakterisierung der vorhandenen Schadstoffzusammensetzung und –Konzentrationen ermöglichen. Weiterhin fehlen zurzeit standardisierte Methoden, um VOC- und Feinpartikelkonzentrationen in der Raumluft zu quantifizieren und zu bewerten. Um diese Probleme zu adressieren,

  • wird eine neuartige Messtechnik für die Erfassung von VOCs und Feinpartikeln im Projekt entwickelt
  • und diese in Laboren und einzelnen Zonen des Gebäudes installiert und getestet.
  • Luftqualitätsmerkmale sollen dabei in digitaler Form in einem BIM-Modell abgebildet werden, um die Verfügbarkeit und Durchgängigkeit dieser gesundheitlich relevanten Informationen über den gesamten Lebenszyklus eines Gebäudes für verschiedene Anwendungen zu gewährleisten.

Damit bietet das RIZ Energie ideale Voraussetzungen, einerseits die Energieflüsse und die Arbeitsplatzqualität in einem netzdienlichen Nullenergiegebäude und andererseits die Anwendung innovativer Inbetriebnahme- und Betriebsführungsmethoden einem breiten Publikum aus der Energiebranche in der Praxis vorzustellen.

Dem Gesamtziel „betriebsbegleitende Gebäude- und Energieoptimierung während der Inbetriebnahme mit minimalem messtechnischen Aufwand durch Ausnutzung von BIM-Strukturen und standardisierten Algorithmen“ können individuelle Ziele zugeordnet werden.

  • Gestaltung eines Gebäudemonitorings unter ausschließlicher Nutzung der Daten aus der zentralen Gebäudeleittechnik entsprechend eines vereinbarten BIM-Standards.
  • Erfahrungen mit der Inbetriebnahme der Anlagentechnik, insb. Grundwasserbrunnen, Wärmepumpe, Lüftungsanlage, Solaranlage sowie der Übergabesysteme.
  • Erweiterte Inbetriebnahme unter Berücksichtigung eines Micro Grids mit regelbaren Prosumern (im Sinne der Energiewende: Stromverbraucher und -erzeuger, hier auch mit Energiespeicher).
  • Inbetriebnahme von Sub-Systemen für einen netzdienlichen Betrieb von regenerativen Energieerzeugern unter Berücksichtigung von thermischen und elektrischen Energiespeichern.
  • Entwicklung von BIM-basierten Methoden für die zielgerichtete und digital gestützte Inbetriebnahmephase von TGA-Anlagen.
  • Methodik zur Erfassung und Strukturierung von Planungs- und Inbetriebnahmeinformationen in einem geeigneten BIM-Datenmodell. In diesem Datenmodell soll auch ein digitales Abbild der Funktionen von TGA-Anlagen erstellt werden.
  • Entwicklung einer Methodik auf Basis von BIM-Datenmodelle für die digitale Beschreibung von Luftqualitätsparametern und von messtechnischen Einrichtungen zur Luftqualitätsmessung.
  • Erfahrungen mit der Implementierung einer projektspezifischen Weboberfläche, Daten­strukturierung und Algorithmen zur standardisierten Bereitstellung von Metadaten.
  • Entwicklung und die algorithmische Implementierung einer Methodik zur Bewertung der Konzentrationen von VOC und Feinpartikeln in der Raumluft. Dabei soll eine neuartige Messtechnik zur Messung von Feinpartikeln und VOC-Konzentrationen zum Einsatz in mobilen Messgeräten und in stationären Anlagen entwickelt werden.
  • Methodik für die digitale Beschreibung von Raumluftparametern und –sensoren auf Basis von BIM-Modellen erarbeitet werden.
  • Anwendung eingeführter Bilanzmethoden und dynamischer Verfahren zur Evaluation der Energieeffizienz im Gebäude unter Berücksichtigung seiner Einbindung in ein übergeordnetes Energieverbundsystem und mit der Nutzung eines digitalen Zwillings.
  • Dynamische, energiewirtschaftliche Bewertung der Netzdienlichkeit des Gebäudebetriebs in einem übergeordneten Energieverbundsystem mit Hilfe eines digitalen Zwillings