Durch die Möglichkeit, verschiedene Zukunftsszenarien zu testen, kann unser digitaler Zwilling Anlagenbesitzern und -betreibern helfen, komplexe Fragen in einfache Antworten zu verwandeln. Im Vergleich zu anderen Überwachungssystemen kann ein digitaler Zwilling helfen, riesige Datenmengen zu generieren und zu analysieren, um die Auswirkungen von Systemänderungen vorherzusagen und die Gebäudenutzung zu optimieren.

Die niederländische Provinz Zuid-Holland, die sich mit der Frage auseinandersetzt, wie Gebäude bis 2030 klimaneutral gestellt werden können, beauftragte Arup mit der Erstellung eines digitalen Zwillings für einen Teil des Rathausgebäudes. Durch die Zusammenarbeit unserer Digital- und Designexperten wurde unser digitaler Zwilling genutzt, um die kosteneffizientesten Maßnahmen zur Energiewende zu finden und den Sitz der Regionalregierung zukunftssicher zu machen. Unsere Arbeit hat weitreichende Optimierungen zutage gefördert und dazu beigetragen, den Energieverbrauch allein durch die Anpassung einiger Systemeinstellungen um 39 % zu senken - und das ohne weitere Investitionen.

Der digitale Zwilling von Arup hat der Regierung auch dabei geholfen, herauszufinden, wie der Raum im Gebäude effektiver genutzt werden kann - was angesichts der Anpassung der Arbeitgeber an neue Arbeitsweisen von entscheidender Bedeutung ist - und hat eine um 40 % effektivere Nutzung der Räumlichkeiten ergeben.

Der digitale Zwilling - der perfekte Maßstab

Mit seiner einzigartigen Form, Ausrichtung und Systemkonfiguration ist jedes Gebäude einzigartig - und schwer zu bewerten. Die meisten Gebäudemanager können nur schwer einschätzen, wie gut ein Gebäude funktioniert oder ob es unterdurchschnittliche Leistungen erbringt. Defekte oder Fehler im Managementsystem einer Immobilie sind jedoch kostspielig und führen dazu, dass Gebäude etwa 30 % mehr Energie verbrauchen als sie normalerweise benötigen.

Der innovative digitale Zwilling von Arup stellt eine exakte digitale Kopie des realen Gebäudes dar: Über die Bereitstellung eines 3D-Modells hinaus kann der digitale Zwilling detailliert aufzeigen, wie das Gebäude funktioniert, indem er die exakten Systeme und Einstellungen, die Gebäudebelegung und die gleichen Wetterbedingungen reproduziert.

Der digitale Zwilling des Rathauses

Mithilfe von 3D-Scans hat Arup ein 3D-Modell (BIM) des Rathauses entwickelt. Das Modell fungiert als Informationsträger, der geometrische Daten mit produkt- und systemspezifischen Informationen, Sensordaten und Simulationsdaten verknüpft. Das Datenmodell des Rathauses ist mit dem bestehenden Gebäudemanagementsystem verknüpft, das alle Heiz-, Kühl- und Lüftungssysteme steuert.

Es wurden Tausende von Datenpunkten gesammelt, wie z. B. Einzelraumtemperatur, System- und Außentemperaturen, Strömungen, Lüftungstemperatur und Sonneneinstrahlung. Außerdem wurden IoT-Sensoren eingebaut, mit denen die Nutzer die Belegung des Gebäudes überwachen können. Das wichtigste Element des digitalen Zwillings ist jedoch seine Analysefähigkeit, um alle gesammelten Daten zu bewerten und entsprechend zu handeln.

A digital twin

Über die Datenüberwachung hinaus: maschinelles Lernen und Simulation

Die wahre Stärke unseres digitalen Zwillings liegt in der Verknüpfung seiner maschinellen Lernfähigkeiten mit seinen Simulationsfähigkeiten. Ein Modell mit maschinellem Lernen weiß nur, worauf es "trainiert" worden ist. Mit seinen fortschrittlichen Simulationsfähigkeiten verlässt sich der digitale Zwilling von Arup nicht nur auf Daten, sondern auf die zugrunde liegende Physik der Anlage. Selbst wenn nur wenige oder gar keine Sensordaten des realen Gebäudes vorliegen, kann der digitale Zwilling ein robustes, einsatzbereites Vorhersagemodell bereitstellen, das bereits vor dem Bau einer Anlage Einblicke in die Leistungsfähigkeit bietet.

Der Clou passiert, wenn der digitale Zwilling beginnt, seine eigenen "Trainingsdaten" zu liefern. Noch bevor er mit den Sensoren des Gebäudes verbunden ist, kann das digitale Modell beginnen, Daten zu generieren. Durch kleine Anpassungen des Simulationsmodells werden verschiedene Veränderungen erzeugt, die 100.000 Mal mehr "Trainingsdaten" generieren, als die physischen Sensoren im gleichen Zeitraum liefern können. Ab dem Tag, an dem er mit den Sensordaten des Gebäudes verbunden wird, kann der digitale Zwilling mit der Vorhersage, Diagnose und Optimierung der Systeme beginnen. Ihm kann sogar beigebracht werden, Situationen zu verstehen, die im Gebäude noch nicht stattgefunden haben.

Arup ist in der Lage, einen digitalen Zwilling des Gebäudes zu entwerfen, in dem die Auswirkungen von Eingriffen getestet und durch die Zusammenführung von Daten und Messungen sichtbar gemacht werden können. Dies erleichtert es, langfristige Entscheidungen in Bezug auf Energieeffizienz, Gebäudebelegung, Raumluftqualität und Effektivität der aktuellen HLK-Systeme zu treffen.

Jury der Urban Energy Challenge 2018

Der Weg zum Netto-Nullpunkt: Optimierung von Systemeinstellungen und Belegung

Ein digitaler Zwilling kann so trainiert werden, dass er komplexe Zusammenhänge zwischen Symptomen (z. B. einemCO2-Überschuss in einem Raum) und zugrundeliegenden Fehlfunktionen (z. B. ein im System festsitzendes Ventil) erkennt. Im Vergleich zur herkömmlichen Überwachung zeigen digitale Zwillinge nicht nur auf, was schief gelaufen ist, sondern können Gebäudemanagern auch helfen, die Ursachen der Störungen zu analysieren - und Verbesserungsvorschläge zu machen.

Der digitale Zwilling von Arup fand heraus, dass die Lüftungsanlage des Rathauses ihren Energieverbrauch allein durch Anpassung der Einstellungen und ohne weitere Investitionen um 39 % senken könnte. Die richtigen Systemeinstellungen sind schwer zu finden, da die optimalen Temperatur- und Durchflusseinstellungen in zentralen Systemen von den einzigartigen Situationen in allen angeschlossenen Räumen abhängen, die auf der Nutzung, den Sonnenlasten und den Raumsystemen basieren. Indem er die genaue Situation im Gebäude durchspielte und verschiedene Einstellungen testete, konnte der digitale Zwilling die optimalen Einstellungen finden und deren Auswirkungen auf den jährlichen Energieverbrauch vorhersagen.

Das Gebäudemanagement des Rathauses war auch daran interessiert, zu verstehen, ob das Gebäude auf die effektivste Weise genutzt wird. Eine ineffiziente Nutzung eines Gebäudes dieser Größe kann dazu führen, dass Millionen von Euro für die Miete von ineffektiv genutztem Raum verschwendet werden. Die Belegung des Gebäudes wurde überwacht und mit der eines effektiv genutzten Gebäudes verglichen. Dabei zeigte sich, dass die Belegung des Gebäudes um 40 % gesteigert werden konnte (Situation vor der COVID). Für das Rathaus wurden die Verbesserungen auf 2.400.000 €/Jahr bzw. 781.000 kgCO2/Jahr geschätzt.