Modeling, Validation and Sustainability Assessment of Selected District Energy Systems

Abstract

La Unión Europea tiene objetivos muy ambiciosos de energía neta cero para las próximas décadas. Sin embargo, la energía primaria que se suministra hoy en día sigue basándose mayoritariamente en combustibles fósiles y las herramientas de planificación convencionales están limitadas cuando se diseñan sistemas con altos porcentajes de fuentes renovables. Para alcanzar estos objetivos, es fundamental acelerar la transición energética mediante una planificación de los sistemas energéticos urbanos basada en la optimización. Este trabajo pretende abordar estos retos modelando y validando el suministro energético de distritos alemanes con modelos y datos de alta resolución espacio-temporal. En primer lugar, partiendo de un edificio residencial de la década de 1970, se realizarán una serie de alteraciones en el edificio para observar cómo afectan a la demanda energética del mismo. Estas alteraciones incluyen cambios en la envolvente, como la proporción entre ventanas y paredes, la estanqueidad del edificio, el sombreado y las restauraciones generales de la envolvente, cambios en la ocupación del edificio y cambios en el funcionamiento del edificio, como los puntos de consigna y los retrocesos de temperatura, así como el número de horas que está encendida la calefacción. Además, se realizará una simulación con varios edificios residenciales en una zona de una pequeña ciudad. Se modelizará la demanda energética de éstos y se comparará con los datos reales de consumo de la zona. Tras la simulación para los edificios residenciales del área, se realizará otra simulación para los edificios no residenciales de la misma zona. Existen muchos trabajos que realizan un análisis de sensibilidad para diferentes características de los edificios, tanto de la envolvente como de los parámetros de confort. Sin embargo, no hay muchos que validen estos análisis con datos reales de consumo. Por último, se evaluarán las medidas de renovación de edificios modelizando los impactos ecológicos con ACV.

The European Union has very ambitious net-zero goals due in the next decades. However, the primary energy being supplied today is still overwhelmingly fossil fuel based and con-ventional planning tools reach their limits when designing systems with high shares of re-newable energy sources. Unlocking the rapid acceleration of the energy transition through optimization-based planning of urban energy systems is key to achieve those goals. This master’s thesis aims to address these challenges by modeling and validating the energy supply of selected German districts with open-source models and high temporally and spa-tially resolved data. Firstly, parting from a residential building from the 1970s, a series of alterations will be made to the building to observe how it affects the building’s energy demand. These altera-tions include changes to the envelope, such as the window to wall ratio, the tightness of the building, the shading, and general renovations of the envelope, changes to the occupancy of the building, and changes to the operation of the building, such as temperature setpoints and setbacks, as well as the number of hours the heating is on. Furthermore, a simulation with several residential buildings in a selected area of a small city will be carried out. The energy demand for these will be modelled and compared to real consumption data from the area. After the simulation for the residential buildings of the ar-ea, another simulation for the non-residential buildings of the same area will be performed. There are many existing papers that carry out a sensitivity analysis for different building characteristics, both envelope and comfort parameters, just as previously explained. How-ever, there are not many that validate these analyses with real consumption data. Finally, it will assess building renovation measures by modeling the ecological impacts with LCA.