Bachelorarbeit Tobias Beckhölter

 

Clustering von Gebäuden auf Stadtquartiersebene zur energetischen Optimierung

Um eine optimierte Energieanlagenverteilung zu bestimmen, wurde am Institut für energieeffiziente Gebäude und Raumklima (EBC) des E.ON Energy Reasearch Center der RWTH Aachen ein Optimierungsmodell in der Programmiersprache Python entwickelt. Dieses berechnet unter Einbezug verschiedener Daten, u.a. Gebäudealter, -typ, Energieverbrauch, Lage, Straßennetz, vorhandene Wärmenetze, eine optimale Verteilung von Energieanlagen in einem Stadtquartier. Die Zielfunktion dieses gemischt-ganzzahligen linearen Problems (MILP) wird definiert als Minimierung der jährlichen Kosten oder der Treibhausgasemissionen, angegeben in CO2-Äquivalenten. Die Anwendbarkeit des Optimierungsmodells auf Stadtquartiere mit mehr als zehn Gebäuden erweist sich als sehr zeitintensiv bis nicht praktikabel. Aufgrund der mit steigender Gebäudeanzahl anwachsenden Komplexität verhält sich die Rechenzeit zurGebäudeanzahl annähernd exponentiell.Das heißt, eine Berechnung für Stadtquartiere mit beispielsweise 50 Gebäuden ist bisher nicht möglich.
Umdennoch große Stadtquartiere bezüglich ihres Potenzials zur Energiesystemoptimierung analysieren zu können, kann ein Quartier in kleinere Gruppen unterteilt und separat an die Optimierung übergeben werden. Für diese Aufteilung eines Stadtquartiers in sogenannte Cluster werden in dieser Arbeit mehrere Verfahren vorgestellt und anhand eines realen Beispiels erläutert. Die entwickelten Verfahren berücksichtigen das Straßennetz sowie den Energiebedarf der einzelnen Gebäude und sind so an die Besonderheiten einer Stadtquartiersanalyse angepasst. Durch mehrere Versuche kann gezeigt werden, dass die Rechenzeit der Energiesystemoptimierung durch die Anwendung der entwickelten Clusterverfahren um mehr als 80 % reduziert werden kann. Weitere Versuche zur Energiesystemoptimierung der einzelnen Clustermüssen die Güte der Optimierungslösungen abschließend bestimmen, da die Ergebnisse der durchgeführten Test die Auswirkungen des Clusterns auf die Anlagenverteilung nicht ausreichend darlegen.