Der Quartiersgenerator ist ein Open-Source-Webtool für Akteure (z. B. Stadtplaner*innen, Energieversorger, Wohnungsbaugenossenschaften, Ingenieurbüros, Architekt*innen oder Forschungseinrichtungen), die in den frühen Planungsphasen von Quartieren involviert sind und eine fundierte Grundlage für die Konzeption lokaler Energiesysteme benötigen.

Oft fehlen essenzielle Daten zu Beginn dieser Planungsphasen für eine Betrachtung möglicher Energiesysteme, was eine erste Bewertung für das jeweilige Quartier erschwert. Um dieses Problem zu lösen, bietet der Quartiersgenerator die Möglichkeit, städtische Gebäudebestände in Quartiersmodellen abzubilden, zu simulieren und damit Bewertungen verschiedener Quartierskonzepte zu ermöglichen. Bei der Systemauslegung und anschließender Bewertung kann als Optimierungsziel zwischen einer Kostenreduktion und der Minimierung von Treibhausgasemissionen gewählt werden.

Übergreifendes Ziel des Quartiersgenerators ist es, die Umsetzung nachhaltiger, sektorübergreifender Energiesysteme zu unterstützen. Dank einer intuitiven Benutzeroberfläche und minimalen Eingabeanforderungen berechnet die Webanwendung zeitlich aufgelöste Bedarfsprofile, dimensioniert dezentrale Wärmeerzeuger gemäß aktueller DIN-Normen, legt bei Bedarf eine Energiezentrale für ein Nahwärmenetz aus und simuliert den Betrieb der Anlagen des Quartiers. Die daraus resultierenden Kennzahlen werden aufbereitet und in Form eines Quartiersenergieausweises dargestellt. Dieser bietet angelehnt an den Gebäudeenergieausweis eine einheitliche Übersicht ausgewählter Kennwerte. Damit erleichtert er die Untersuchung verschiedener Quartierstypen und Versorgungsszenarien in Bezug auf Technologieauswahl und -durchdringung. So lassen sich vielfältige Technologieszenarien analysieren und die Effekte spezifischer Systeme aufzeigen, wodurch eine Grundlage für den frühzeitigen Vergleich von Quartierskonzepten geschaffen wird.

Beta-Version: Der Quartiersgenerator wird aktuell noch weiterentwickelt und getestet. Nutzen Sie gerne die bisher implementierten Funktionen und kontaktieren Sie uns, falls bei der Nutzung Probleme auftreten.

Für die Parametrisierung eines Quartiers werden nur wenige Daten benötigt. Zunächst sind die Anzahl der Gebäude sowie grundlegende Informationen zu jedem Objekt anzugeben: Gebäudetyp, Baualtersklasse, Sanierungslevel, Konstruktionstyp und Nettoraumfläche. Optional können der Standort des Quartiers und das Testreferenzjahr (TRY) für die Wetterdaten angepasst werden. Darüber hinaus lassen sich für die einzelnen Gebäude die jeweiligen Energiesysteme spezifizieren. Dies umfasst die Art der Wärmeerzeugung, die Größe eines potenziellen Pufferspeichers sowie die Information, ob und in welchem Maße Photovoltaik, Solarthermie und Batteriespeicher vorhanden sind. Für den Fahrzeugbestand können die Quote der Elektrofahrzeuge sowie deren Ladestrategie definiert werden. Wenn ein Nahwärmenetz modelliert werden soll, stehen verschiedene Technologien zur Auswahl. Sind bestimmte Technologien vor Ort nicht gewünscht oder technisch nicht umsetzbar, können diese gezielt ausgeschlossen oder in ihrer Kapazität begrenzt werden.

Damit diese Eingabedaten ausreichen, integriert der Quartiersgenerator mehrere Open-Source-Tools und Datenbanken. Um ein vollständig parametrisiertes Gebäudemodell zu erhalten, führt das Tool TEASER eine Datenanreicherung mithilfe des TABULA WebTools durch. Dabei nutzt es statistische und normative Informationen über den Gebäudebestand, um die Geometrie und die Materialeigenschaften der Gebäude zu ermitteln. Da TABULA archetypische Gebäudeeigenschaften basierend auf Typ, Altersklasse und Sanierungslevel definiert, setzen sich die generierten Quartiere aus repräsentativen Gebäuden zusammen. Dies macht sie ideal für fundierte Analysen oder Skalierbarkeitsstudien.

Die anschließende Berechnung der Bedarfsprofile basiert auf etablierten Normen und stochastischen Modellen. Zunächst erfolgt die Heizlastberechnung anhand der Norm DIN EN 12831-1:2017-09, während zur Ermittlung der Norm-Heizlast für Trinkwassererwärmungsanlagen das Verfahren nach DIN 4708-1:1994-04 herangezogen wird. Um realitätsnahe Nutzerdaten abzubilden, generiert das Tool richardsonpy Belegungsprofile, die im Tagesverlauf pseudozufällig schwanken und das natürliche Verhalten der Individuen in ihren täglichen Routinen widerspiegeln. Auf dieser Grundlage werden stochastische, synthetische Profile des Strombedarfs erstellt. Mit dem Tool DHWcalc wird der Warmwasserbedarf im Haushalt ermittelt. Hierbei fließen Faktoren wie die Anzahl der Bewohner*innen, Gebäudeeigenschaften und Klimadaten ein, um die Warmwassernutzung stochastisch abzuschätzen. Durch die Kombination all dieser Tools liefert der Quartiersgenerator stündlich aufgelöste Bedarfsprofile im CSV-Format für jedes einzelne Gebäude im Quartier.

Die Dimensionierung der gewählten Heizungstechnologie erfolgt für alle dezentral versorgten Gebäude auf Basis der berechneten Normheizlast. Wärmepumpen werden dabei anhand des definierten Bivalenzpunktes als Hybridsysteme dimensioniert. Für die Anlagen, die das Nahwärmenetz versorgen, wird hingegen eine Auslegungsoptimierung anhand der simulierten Bedarfe durchgeführt. Dabei handelt es sich um eine Weiterentwicklung des Tools EHDO. Diese ist als gemischt-ganzzahliges lineares Optimierungsmodell (MILP) formuliert und bestimmt die Dimensionierung und Zusammensetzung der Energiezentrale basierend auf den aggregierten Wärmebedarfen der an das Nahwärmenetz angeschlossenen Gebäude sowie den erlaubten Technologien. Sind keine Gebäude an das Nahwärmenetz angeschlossen, wird dieser Schritt übersprungen.

Auf Basis der zuvor erzeugten Bedarfsprofile und der definierten Anlagentechnik wird anschließend eine Betriebsoptimierung des Quartiers durchgeführt. Diese ist ebenfalls als MILP formuliert und bestimmt den optimalen Anlagenbetrieb im Jahresverlauf. Daraus abgeleitet werden im nächsten Schritt die zentralen Kennzahlen des Quartiers bestimmt. Dazu zählen unter anderem die Treibhausgasemissionen, die Investitions- und Betriebskosten sowie der Autarkiegrad. Diese Ergebnisse werden übersichtlich in einem Quartiersenergieausweis dargestellt. Als Zielfunktion beider Optimierungsmodelle (Auslegung und Betrieb) kann zwischen einer Kostenreduktion und der Minimierung der Treibhausgasemissionen gewählt werden.

Wir bedanken uns für die Bereitstellung des Solvers bei Gurobi.

Der Quartiersgenerator wurde im Rahmen des Forschungsprojekts BF-Quartier2020 (FKZ: 03EWB003B) entwickelt. Wir bedanken uns ausdrücklich für die Förderung durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) sowie bei Gurobi für die Bereitstellung des Solvers.

Links zu den verwendeten Tools

TEASER (Tool for Energy Analysis and Simulation for Efficient Retrofit)
TABULA (Typology Approach for Building Stock Energy Assessment)
richardsonpy
DHWcalc