Energiehaushalt eines Hauses: Lastkollektive LKT

Abbildung 1: Symbolbild der Seminaraufgabe

Autoren: Marvin Stute; David Schartner
Betreuer: Prof. Dr.-Ing. M. Göbel

→ zum Hauptartikel: Systems Design Engineering - Seminaraufgabe SoSe 2023: Energiehaushalt eines Hauses

Einleitung

Im Studiengang Business and Systems Engineering wird von den Studierenden in der Lehrveranstaltung Systems Design Engineering ein technisches System anhand des V-Modells entwickelt. Im Sommersemester 2023 wurde der Energiehaushalt eines Hauses simuliert, indem das Gesamtsystem in einzelne Module aufgeteilt und in Gruppen realisiert wurde. Dieser Artikel stellt die Lastkollektive (LKT) vor.

Zielsetzung der Seminaraufgabe

Ziel dieses Seminars ist es, das V-Modell auf das Projekt der Simulation des Energiehaushaltes eines Hauses anzuwenden. In kleinen Gruppen werden einzelne wichtige Teilmodule erarbeitet und dem kompletten Entwicklungsprozess unterzogen, vom Entwurf über die Implementierung bis hin zur Validierung. Nach dem Test der Teilmodule der einzelnen Gruppen werden diese in ein Gesamtsystem integriert und einem Systemtest unterzogen. Dieses Gesamtsystem stellt das Projektergebnis dar und ermöglicht die Simulation des Energiehaushaltes eines Hauses.

V-Modell

Das V-Modell ist ein Projektmanagementansatz, welcher den Ablauf eines Projekts in verschiedene Phasen unterteilt und einen parallelen Testprozess umfasst. Das Modell bildet die Form eines "V" ab, wobei auf der linken Seite die Anforderungen, von groben Systemanforderungen bis hin zur spezifischen Architektur und den Komponenten, beschrieben werden. Im Anschluss dazu werden auf der rechten Seite Tests wie der Systemtest, Integrationstest und Komponententest durchgeführt, um die Validierung sicherzustellen. An der Spitze des "V" erfolgt die Implementierung des Systems.

Abbildung 2: V-Modell 2023

Abbildung 2 zeigt das V-Modell des Seminars. Es gibt eine Unterteilung in folgende Schritte und den dazugehörigen Arbeitsergebnissen:

 1. Anforderungsdefinition → Lastenheft
 2. Funktionaler Systementwurf → Funktionaler Systemplan
 3. Technischer Systementwurf → Technischer Systemplan
 4. Komponentenentwurf → Komponentenspezifikation
 5. Programmierung/Modellierung → Matlab-Parameterdatei/Simulinkmodell
 6. Komponententest → Testbericht
 7. Integrationstest (Modultest) → Testbericht
 8. Systemtest → Testbericht
 9. Abnahme → Finale Abgabe des Modells/Artikel im Wiki

Anforderungsdefinition: Lastenheft

Im ersten Schritt des V-Modells, der Anforderungsdefinition, wird ein Lastenheft erstellt, welches als Kommunikationsmittel zwischen Auftraggeber und Auftragnehmer dient und die Grundlage zur Projektumsetzung darstellt. Das Teilprojekt Lastkollektive setzt sich zusammen aus den Kapiteln Rahmenbedingungen, Schnittstellen, Standort/Umgebung, Grundriss, Verbrauch, Szenarien und Dokumentation. Diese müssen berücksichtigt werden, um eine grundsätzliche Basis zu bilden, von der aus Schnittstellen in die anderen Teilprojekte geschlossen werden können. Die Lastkollektive definieren die Eigenschaften des Hauses und die Szenarien im Hinblick auf die Bewohner des Hauses.

ID	"Typ (I = Info, A = Anforderung, E = Einleitung)"	Kapitel	Inhalt	Ersteller	Datum	Durchsicht von	am	Status Auftraggeber	Kommentar Auftraggeber	Status Auftragnehmer	Kommentar Auftragnehmer
001	I	1	Rahmenbedingungen	David S. & Marvin S.	4/14/23
002	A		Matlab 2022a nutzen	David S. & Marvin S.	4/14/23				was für Daten (Beispiele!)	Akzeptiert
003	A		Die ermittelten Wetter- / Stromdaten müssen variabel und realistisch sein	David S. & Marvin S.	4/14/23
006			Für Automatisierungen sollte minimaler Nuzerinput notwendig sein	David S. & Marvin S.	4/14/23
007	I	2	Schnittstellen	David S. & Marvin S.	4/14/23
008	A		"Bestimmung Wettertdaten & Kommunikation in "Echtzeit""	David S. & Marvin S.	4/14/23				Sie geben das Wetter vor (über Parameter)!	Akzeptiert mit Einschr.	In Realität werden die Daten vorgegeben, sie werden aber in der Simulation als Messdaten gehandhabt
009	A		Kommuniaktion externer Energiebedarf	David S. & Marvin S.	4/14/23
010	A		Muss mit Energieerzeugern Echtzeit-kommunizieren	David S. & Marvin S.	4/14/23
			Weiterführende Sensordatenkommunikation wo notwendig	David S. & Marvin S.	4/14/23
011	I	3	Standort / Umgebung	David S. & Marvin S.
012	A		"Ermittlung Wetterdaten - Temperatur für das ganze Jahr "in Echtzeit""	David S. & Marvin S.	4/14/23
013	A		Strompreis	David S. & Marvin S.	4/14/23
014	I	4	Grundriss	David S. & Marvin S.	4/14/23
			Grundfläche quadratisch & Flachdach
015	A		Definiton Gegebenheiten Haus: Grundfläche (100m²) / Deckenhöhe (2.5m) / Etagen (2) /Fensterfläche von der gesamten Wandfläche (25%)	David S. & Marvin S.	4/14/23				Bitte mit Gruppe ISO abstimmen	offen
									Was ist das? Skizze des Hauses?		Genau, Größe relevant bspw. für Isolierung / Heizung
022	I	5	Verbrauch	David S. & Marvin S.	4/14/23
027	A		Stromversorgung: Projektion Verbrauch & Kosten	David S. & Marvin S.	4/23/23
			Wasserverbrauch des Haushaltes	David S. & Marvin S.	4/23/23
028	I	6	Szenarien	David S. & Marvin S.	4/14/23				"und Szenarien wie ""Urlaub"", ""Heimarbeit"", ""tagsüber außer Haus"""	Akzeptiert	Kapitel Szenarien hinzugefügt
029	I		1. 4P Hauhalt: 2 Erwachsene/2 Kinder	David S. & Marvin S.	4/14/23
030	I		2. 2P Hauhalt: 2 Erwachsene	David S. & Marvin S.	4/14/23
033	I		Werktag/Urlaubstag/Wochenendtag	David S. & Marvin S.	4/22/23
034	I	7	Dokumentation	David S. & Marvin S.	4/14/23
035	A		Erstellung des Wiki-Artikels	David S. & Marvin S.	4/14/23
036	A		Schrittweise beschreibung der Modellierung	David S. & Marvin S.	4/14/23
037	A		Beschreibung der Programmierung inkl. Funktionsweise	David S. & Marvin S.	4/14/23

Funktionaler Systementwurf

Der funktionale Systementwurf war im Sommersemester 2023 kein Bestandteil der Gruppenaufgabe und wurde von Prof. Dr. Göbel bereitgestellt, welcher in Abbildung 3 dargestellt wird.

Abbildung 3: Funktionaler Systementwurf SS23

Technischer Systementwurf

Im technischen Systementwurf werden die Schnittstellen festgelegt und die Komponenten definiert. Es stellt die Vorbereitung zur Komponentenspezifikation dar. Das Teilmodul Lastkollektive besitzt vier Komponenten, wie das Simulink-Modell in Abbildung 4 zeigt:

• Eigenschaften des Hauses
• Daten
• Szenarioermittlung
• Datum und Tageszeit

Die Komponente "Eigenschaften des Hauses" gibt über Parameter beispielsweise die Deckenhöhe oder die Grundfläche an. Bei der Komponente "Daten" wird mit Hilfe der Simulationszeit sowohl die Temperatur angegeben, als auch der Stromverbrauch und der Wasserverbrauch berechnet. Außerdem werden mit Hilfe der Eingänge "EEZ_PVLeistungAC" des Teilbereiches Energieerzeugung und "ESP_Verbrauch" des Teilbereiches Energiespeicher die Stromkosten berechnet. Die "Szenarioermittlung" berechnet, wie viele Personen zu einem simulierten Zeitpunkt zu Hause sind und die Komponente "Datum und Uhrzeit" gibt die exakte Uhrzeit und das Datum der Simulationszeit an.

Abbildung 4: Technischer Systementwurf in Simulink

Komponentenspezifikation

Die Komponentenspezifikation beschreibt detailliert die einzelnen Komponenten des Teilprojektes, alle Ein- und Ausgänge sowie alle Parameter, die verwendet werden. Außerdem werden die Spezifikationen der Komponenten in einer Tabelle festgehalten, anhand welcher die Implementierung erfolgen soll.

Durch [Ausklappen] der einzelnen Komponenten werden die detaillierten Beschreibungen tabellarisch dargestellt.

Eigenschaften des Hauses

In dieser Komponente werden die Eigenschaften des Hauses als Parameter definiert und in einer matlab.m Datei angelegt.

Ausgänge

Ausgänge	Beschreibung	Einheit
LKT_Eigenschaften_des_Hauses	Bus mit den vier relevanten Eigenschaften des Hauses	-

Parameter

Parameter	Beschreibung	Einheit	Wert
PAR_LKT_Grundflaeche	Größe der Grundfläche	m²	100
PAR_LKT_Deckenhoehe	Höhe der Decke	m	2,5
PAR_LKT_Etagen	Anzahl der Etagen	-	2
PAR_LKT_Fensterflaeche	Prozentanteil der Fensterfläche von der Gesamtfläche der Wand	%	25

Spezifikationen

ID	Kapitel	Inhalt	Ersteller	Datum
	1	Rahmenbedingungen	David Schartner & Marvin Stute	08.05.2023
111		Die Definitionen der Parameter erfolgt in einer Matlab.m Datei	David Schartner & Marvin Stute	08.05.2023
112		Die Parameter werden in einem Bus zusammengefasst	David Schartner & Marvin Stute	08.05.2023

Daten

Die Komponente Daten berechnet die Stromkosten und den Wasserverbrauch des Haushaltes. Für die Berechnung der Stromkosten wird der Stromverbrauch von der Energieerzeugung abgezogen und das Ergebnis mit dem Strompreis multipliziert. Um den Wasserverbrauch zu bestimmen, wird der durchschnittliche Wasserverbrauch einer Person mit der Anzahl der Personen, die im Haus wohnen, multipliziert. Außerdem bestimmt die Komponente die Wetterdaten, welche mit Hilfe von einem Lookup Table ausgelesen werden.

Eingänge

Eingänge	Beschreibung	Einheit
LKT_Simulationszeit	Vergangegene Simulationszeit in Sekunden	s
EEZ_PVLeistungAC	Selbst erzeugte Energie	kWh
ESP_Verbrauch	Stromverbrauch	kWh
LKT_PersonenZuhause	Status, der angibt, wie viele Personen aktuell zu Hause sind	-

Ausgänge

Ausgänge	Beschreibung	Einheit
LKT_Temperatur	Temperaturdaten	°C
LKT_Stromkosten	Berechnete Stromkosten	€
LKT_Wasserverbrauch	Wasserverbrauch des Haushaltes	m³

Parameter

Parameter	Beschreibung	Einheit	Wert
PAR_LKT_Temperatur	Temperatur	°C
PAR_LKT_Strompreis	Strompreis	€/kWh	0,3606
PAR_LKT_Wasserverbrauch/Person	Durchschnittlicher Wasserverbrauch für vier Personen pro Stunde	m³	0,123

Spezifikationen

ID	Kapitel	Inhalt	Ersteller	Datum
	1	Rahmenbedingungen	David Schartner & Marvin Stute	08.05.2023
211		Die Wetterdaten werden in Verbindung mit dem aktuellem Datum aus einem Lookup Table ausgelesen.	David Schartner & Marvin Stute	08.05.2023
212		Für die Stromkosten werden die Eingänge Energieerzeugung und Stromverbrauch herangezogen.	David Schartner & Marvin Stute	08.05.2023
	2	Berechnung	David Schartner & Marvin Stute	08.05.2023
221		Für die Berechnung der Stromkosten wird der Stromverbrauch von der Energieerzeugung abgezogen. Das Ergebnis wird mit dem Strompreis multipliziert.	David Schartner & Marvin Stute	08.05.2023
222		Für die Berechnung des Wasserverbrauchs wird der aktuelle Status mit dem durchschnittlichen Wasserverbrauch pro Person multipliziert.	David Schartner & Marvin Stute	08.05.2023

Szenarioermittlung

Diese Komponente bestimmt anhand der vergangenen Simulationszeit das aktuelle Simulationsszenario. Es gibt die Möglichkeit, dass den ganzen Tag im Urlaub niemand zu Hause ist oder am Wochenende den ganzen Tag alle zu Hause sind. An Werktagen ist vormittags niemand im Haus und danach befinden sich bis zum Abend drei Personen zu Hause, von insgesamt vier möglichen Personen. Die Anzahl der Personen, die im Haus leben, kann über Veränderung des entsprechenden Parameters variiert werden.

Eingänge

Eingänge	Beschreibung	Einheit
LKT_Simulationszeit	Vergangegene Simulationszeit in Sekunden	s

Ausgänge

Ausgänge	Beschreibung	Einheit
LKT_PersonenZuhause	Status, der angibt, wie viele Personen aktuell zu Hause sind	-

Parameter

Parameter	Beschreibung	Einheit	Wert
PAR_LKT_Werktag	Szenario, bei dem alle Bewohner von 8 bis 14 Uhr nicht zu Hause sind und von 14 bis 18 Uhr 3 Bewohner zu Hause sind
PAR_LKT_Urlaubstag	Szenario, bei dem keine Bewohner zu Hause sind		0
PAR_LKT_Wochenendtag	Szenario, bei dem alle Bewohner zu Hause sind		1
PAR_LKT_zweiKinder	2 Kinder als Rolle für ein Szenario		2
PAR_LKT_zweiErwachsene	2 Erwachsene als Rolle für ein Szenario		2

Spezifikationen

ID	Kapitel	Inhalt	Ersteller	Datum
	1	Rahmenbedingungen	David Schartner & Marvin Stute	08.05.2023
411		Überprüfung/Auswahl der Bewohneranzahl.	David Schartner & Marvin Stute	08.05.2023
412		Bei einer Bewohneranzahl von 4 Personen werden 2 Erwachsene und 2 Kinder gezählt.	David Schartner & Marvin Stute	08.05.2023
413		Bei einer Bewohneranzahl von 2 Personen werden nur Erwachsene gezählt.	David Schartner & Marvin Stute	08.05.2023
414		Annhame, dass bei einem Werktag von 8 bis 14 Uhr niemand zu Hause ist und von 14 bis 18 Uhr 3 Personen zu Hause sind	David Schartner & Marvin Stute	08.05.2023
415		Annhame, dass bei einem Urlaubstag niemand zu Hause ist.	David Schartner & Marvin Stute	08.05.2023
416		Annahme, dass bei einem Wochenendtag alle zu Hause sind.	David Schartner & Marvin Stute	08.05.2023
	2	Berechnung	David Schartner & Marvin Stute	08.05.2023
421		Die Bewohneranzahl wird mit dem Wert des Szenarios multipliziert und gibt so an, wie viele Personen aktuell zu Hause sind.	David Schartner & Marvin Stute	08.05.2023
422		Die Multiplikation wird durch einen Product-Block durchgeführt.	David Schartner & Marvin Stute	08.05.2023
423		In Verbindung mit dem aktuellem Datum, wird ermittelt wie viele Personen sich zu einem bestimmten Tag und Uhrzeit im Haus befinden.	David Schartner & Marvin Stute	08.05.2023

Datum und Tageszeit

Die Komponente gibt anhand der Simulationszeit das Datum und die Uhrzeit an.

Ausgänge

Ausgänge	Beschreibung	Einheit
LKT_Simulationszeit	Vergangegene Simulationszeit in Sekunden	s

Parameter

Parameter	Beschreibung	Einheit	Wert
PAR_LKT_Simulationszeit	Vergangene Zeit seit dem Simulationsstart	s	-

Spezifikationen

ID	Kapitel	Inhalt	Ersteller	Datum
	1	Rahmenbedingungen	David Schartner & Marvin Stute	08.05.2023
311		Der Clock-Block gibt die Simulationszeit in s unter LKT_Simulationszeit aus.	David Schartner & Marvin Stute	08.05.2023

Programmierung / Modellierung

In der Programmierung werden die Komponenten den zuvor festgelegten Spezifikationen entsprechend umgesetzt. Die Programmierung erfolgte auf Basis des im technischen Systementwurf entworfenen Simulink Modells. Neben dem Simulink Modell wurde außerdem eine Matlab-Datei mit Parametern entworfen. Diese wird beim Start des Programms aufgerufen, sodass die Parameter im Workspace gespeichert sind.

%****************************************************************
%                   Hochschule Hamm-Lippstadt                   *
%****************************************************************
% Modul	          : parameter_LKT.m                             *
%                                                               *
% Datum           : 22.05.2023                                  *
%                                                               *
% Funktion        : Speichern der Parameter für die Last-       *
%                   kollektive des Haus-Modells im Workspace    *
%                                                               *
% Implementation  : MATLAB 2022a                                *
%                                                               *
% Req. Toolbox    : -                                           *
%                                                               *
% Req. Dateien    : Temperaturdaten.mat                         *
%                                                               *
% Author          : David Schartner; Marvin Stute               *
%                                                               *
% Bemerkung       :                                             *
%                                                               *
% Letzte Änderung : 04.06.2023                                  *
%                                                               *
%***************************************************************/

load('Temperaturdaten.mat')

PAR_LKT_Grundflaeche = 100; %in m^2
PAR_LKT_Deckenhoehe = 2.5; % in m
PAR_LKT_Etagen = 2; % in Etagenanzahl
PAR_LKT_Fensterflaeche = 25; % in Prozent
PAR_LKT_Strompreis = 0.3606; % in €/kWh
PAR_LKT_WasserverbrauchProPerson = 0.1230; % in m^3 für eine Person
PAR_LKT_StromverbrauchProPerson = 6.8; % in kWh für eine Person
PAR_LKT_zweiErwachsene = 2; % Anzahl Personen
PAR_LKT_zweiKinder = 2; % Anzahl Personen
PAR_LKT_Wochenendtag = 1;
PAR_LKT_Urlaubstag = 0;

Im Folgenden sind die einzelnen Komponenten dargestellt:

Eigenschaften des Hauses

Die nachfolgende Abbildung zeigt die Modellierung der Komponente "Eigenschaften des Hauses". Diese ist in einem Simulink-Subsystem implementiert. Die Parameter werden direkt aus der Parameter-Datei ausgelesen und mit einem Bus Creator auf einem Bus gespeichert.

Abbildung 5: Modellierung der Komponente "Eigenschaften des Hauses"

Daten

Die nachfolgende Abbildung zeigt die Modellierung der Komponente "Daten". Diese ist in einem Simulink-Subsystem implementiert. Die aktuelle Temperatur wird aus einem Lookup-Table ausgelesen. Dafür werden die Sekunden der Simulationszeit in Stunden bzw. Tage umgewandelt. Der Wasser- & Stromverbrauch wird auf Basis der Anzahl der Bewohner im Haus berechnet. Außerdem werden die Stromkosten über die Solarstromerzeugung und dem aktuellen Stromverbrauch bestimmt. Die vier Ausgänge gehen dann direkt aus dem Submodul heraus.

Abbildung 6: Modellierung der Komponente "Daten"

Code für die Funktion, die Strom-& Wasserverbrauch für die Urlaubstage reduziert:

function TageZuhause = fcn(aktuellerTag)

% Die Funktion zieht die Tage von dem Tageszähler ab, an denen die Familie
% außer Haus ist über den Sommer- bzw. Winterurlaub

persistent TageAusserHausSommer TageAusserHausWinter ersterDurchlauf Sommerurlaub Winterurlaub

if isempty(ersterDurchlauf)

    Sommerurlaub = [213 227]; 
    Winterurlaub = [358 365]; 
    TageAusserHausSommer = 0; % initialisiert den Zähler für Tage die Sie nicht zuhause sind
    TageAusserHausWinter = 0;
    ersterDurchlauf = 1;
end

if aktuellerTag>=Sommerurlaub(1) && aktuellerTag <= Sommerurlaub(2)
    
    TageAusserHausSommer = aktuellerTag - Sommerurlaub(1);
    
end

if aktuellerTag>=Winterurlaub(1) && aktuellerTag <= Winterurlaub(2)

    TageAusserHausWinter = aktuellerTag - Winterurlaub(1);

end

TageZuhause = aktuellerTag - TageAusserHausSommer - TageAusserHausWinter;

Szenarioermittlung

Die nachfolgende Abbildung zeigt die Modellierung der Komponente "Szenarioermittlung". Diese ist in einem Simulink-Subsystem implementiert. Die aktuelle Simulationszeit wird in den aktuellen Tag und die aktuelle Stunde aufgeteilt. Auf Basis der Stunde wird die aktuelle Zahl der Bewohner im Haus für jedes Szenario bestimmt. Auf Basis des aktuellen Tags wird das Szenario festgelegt. Anschließend wird die Anzahl der Personen im Haus ausgegeben.

Abbildung 7: Modellierung der Komponente "Szenarioermittlung"

Code für die Funktion, die das aktuelle Szenario festlegt:

function LKT_PersonenZuhause = fcn(WochentagP, WochenendTagP, UrlaubstagP, aktuellerTag)


LKT_PersonenZuhause = 0; % Initialisiert die Ausgangsvariable
Sommerurlaub = [213 227]; % Tage in denen die Familie im Sommerurlaub ist
Winterurlaub = [358 365]; % Tage in denen die Faimilie im Winterurlaub ist

if aktuellerTag>=Sommerurlaub(1) && aktuellerTag <= Sommerurlaub(2) || aktuellerTag>=Winterurlaub(1) && aktuellerTag <= Winterurlaub(2)
    % Überprüft ob sich die Personen im Urlaub befinden und wählt falls es
    % der Fall ist das passende Szenario aus
    LKT_PersonenZuhause = UrlaubstagP;
    return
end

day  = mod(aktuellerTag, 7); % Der Rest aus der Division mit 7 gibt an, welcher Wochentag aktuell ist (Zahl zwischen 0 - 6)

if day == 5 || day == 6 % Die Tage 5 & 6 sind Samstag und Sonntag, also Wochenende
    weekend = true;
else
    weekend = false;
end

% Überprüft ob Wochenende ist und wählt das passende Szenario aus
if weekend == false
    LKT_PersonenZuhause = WochentagP;
    return
elseif weekend == true
    LKT_PersonenZuhause = WochenendTagP;
    return
end

Code für die PAR_LKT_Werktag Funktion.

function y = fcn(u)

if u >= 0 && u < 8
    y = 1;
elseif u >= 8 && u < 14
    y = 0;
elseif u >= 14 && u < 18
    y = 0.75;
else
    y = 1;
end

Datum und Tageszeit

Die nachfolgende Abbildung zeigt die Modellierung der Komponente "Datum und Tageszeit". Diese ist in einem Simulink-Subsystem implementiert. Sie gibt über den "Clock"-Block die Simulationszeit der gesamten Simulationszeit in Sekunden an.

Abbildung 8: Modellierung der Komponente "Datum und Tageszeit"

Komponententest

Der Komponententest der Gruppe "Lastkollektive LKT" wurde durch die Gruppe Isoliereigenschaften des Hauses ISO (Nico Kasprik und Jonas Loddenkemper) durchgeführt. Er umfasst den Test der einzelnen Komponenten voneinander getrennt, um die für sich stehende Funktionalität sicherzustellen. Nachfolgend die Dokumentation dieser Tests:

Eigenschaften des Hauses

Testfall-ID	Testfall-Name	Anforderungs-ID	Vorbedingungen und Eingänge	Aktionen	Erwartetes Ergebnis	Ergebnis	Bewertung	Kommentar
010	Test der gesamten Komponente "Eigenschaft des Hauses"	xx	Parameter geladen; mit konstanten Werten	Simulation eines Zeitschritts	Ausgabe der Parameter ohne Änderung	Parameter Ausgabe ohne Änderung	i.O.	Daten werden an Bus und Ausgang weitergegeben
020	Ausgabe Grundfläche	xx	Parameter geladen; Parameter konstant	Simulation eines Zeitschritts	Ausgabe der Parameter ohne Änderung	Parameter Ausgabe ohne Änderung	i. O.	Daten werden an Bus und Ausgang weitergegeben
030	Ausgabe Deckenhöhe	xx	Parameter geladen; Parameter konstant	Simulation eines Zeitschritts	Ausgabe der Parameter ohne Änderung	Parameter Ausgabe ohne Änderung	i. O.	Daten werden an Bus und Ausgang weitergegeben
040	Ausgabe Etagen	xx	Parameter geladen; Parameter konstant	Simulation eines Zeitschritts	Ausgabe der Parameter ohne Änderung	Parameter Ausgabe ohne Änderung	i. O.	Daten werden an Bus und Ausgang weitergegeben
050	Ausgabe Fensterfläche	xx	Parameter geladen; Parameter konstant	Simulation eines Zeitschritts	Ausgabe der Parameter ohne Änderung	Parameter Ausgabe ohne Änderung	i. O.	Daten werden an Bus und Ausgang weitergegeben

Daten

Testfall-ID	Testfall-Name	Anforderungs-ID	Vorbedingungen und Eingänge	Aktionen	Erwartetes Ergebnis	Ergebnis	Bewertung	Kommentar
010	Test der gesamten Komponente "Daten"	xx	Parameter geladen; mit konstanten und variablen Werten	Simulation eines Jahres	Ausgabe der Parameter mit korrekter Berechnung	Ausgabe erfolgt rechnerisch korrekt	i. O.
020	Ausgabe Strompreis	xx	Parameter geladen; mit konstanten Werten	Ein Zeitschritt Simuliert	korrektes Ergebnis als Ausgabe	Ausgabe erfolgt rechnerisch korrekt	i. O.
030	Ausgabe Wasserverbrauch	xx	Parameter geladen; Parameter variiert	Simulation eines Jahres	korrektes Ergebnis als Ausgabe	Ausgabe erfolgt rechnerisch korrekt	i. O.
040	Ausgabe Anzahl Erwachsene	xx	Parameter geladen; Parameter konstant	Simulation eines Jahres	korrektes Ergebnis als Ausgabe	Ausgabe erfolgt rechnerisch korrekt	i. O.
050	Ausgabe Anzahl Kinder	xx	Parameter geladen; Parameter konstant	Simulation eines Jahres	korrektes Ergebnis als Ausgabe	Ausgabe erfolgt rechnerisch korrekt	i. O.
060	Ausgabe Temperatur	xx	Parameter geladen; Parameter variiert	Simulation eines Jahres	korrektes Ergebnis als Ausgabe	Ausgabe innerhalb einen Jahres erfolgt korrekt, danach Abfall der Temperatur	siehe Kommentar	Für Simulationszeitraum von einem Jahr alles i.O., danach Wiederholung Look-Up-Table oder neue Daten notwendig

Abbildung 9: Ausgabe Temperaturdaten innerhalb eines Jahres

Abbildung 11: Ausgabe Temperaturdaten nach mehr als einem Jahr

Abbildung 10: Ausgabe Wasserverbrauch

Szenarioermittlung

Testfall-ID	Testfall-Name	Anforderungs-ID	Vorbedingungen und Eingänge	Aktionen	Erwartetes Ergebnis	Ergebnis	Bewertung	Kommentar
010	Test der gesamten Komponente "Szenario Ermittlung"	xx	Parameter geladen; über Simulationszeit	Fortlaufende Simulation	Ausgabe varriert	Ausgabe erfolgt rechnerisch korrekt; Parameter in Parameterdatei fehlen	n. i. O.	PAR_LKT_Wochenendtag und PAR_LKT_Urlaubstag fehlen
020	Personenanzahl am Tag	xx	Parameter geladen; über Simulationszeit	Fortlaufende Simulation	Personenanzahl unterscheidet sich nach Uhrzeit	Personenanzahl variiert innerhalb des Tages	i. O.
030	Personenanzahl im Jahr	xx	Parameter geladen; über Simulationszeit	Fortlaufende Simulation	Arbeitstage und Urlaubstage	In Urlaubszeit Anzahl Peronen = 0	i. O.

Abbildung 12: Anzahl der Personen über ein Jahr dargestellt von 0-4

Datum und Tageszeit

Testfall-ID	Testfall-Name	Anforderungs-ID	Vorbedingungen und Eingänge	Aktionen	Erwartetes Ergebnis	Ergebnis	Bewertung	Kommentar
010	Test der gesamten Komponente "Datum und Tageszeit"	xx	Parameter geladen; über Simulationszeit	Fortlaufende Simulation	Simulation des Tages	Zeit wird simuliert	i. O.
020	Ausgabe der Clock	xx	Parameter geladen; über Simulationszeit	Fortlaufende Simulation	Simulation des Tages in Sekunden	Zeit wird in Sekunden simuliert	i. O.

Integrationstest

Der Integrationstest der Gruppe "Lastkollektive LKT" wurde durch die Gruppe Isoliereigenschaften des Hauses ISO (Nico Kasprik und Jonas Loddenkemper) durchgeführt. Er umfasst den Test der einzelnen Komponenten als Verbund in dem Modell "LKT - Lastkollektive". So soll sichergestellt werden, dass sich aufeinander beziehende Komponenten im Verbund funktionieren und einen sinnvollen Output liefern. Nachfolgend die Dokumentation dieser Tests:

Testfall-ID	Testfall-Name	Anforderungs-ID	Vorbedingungen und Eingänge	Aktionen	Erwartetes Ergebnis	Ergebnis	Bewertung	Kommentar
1000	Test auf Gesamtfunktion	xx	Parameter geladen	fortlaufende Simulation	Aufruf des Modells	Aufruf des Modells	i. O.
1100	Test des Input Bus	xx	Modell laden	fortlaufende Simulation	Konstanten werden im Modell weitergegeben	Konstanten werden im Modell an den richtigen Stellen benutzt	i. O.
1110	Konstante ESP_Verbrauch	xx	Konstante gesetzt	fortlaufende Simulation	Konstante = 5000	ESP_Verbrauch = 5000	i. O.
1120	Konstante EEZ_PVLeistungAC	xx	Konstante gesetzt	fortlaufende Simulation	Konstante = 2000	EEZ_PVLeistungAC = 2000	i. O.
1200	Test des Output Bus	xx	Modell laden	fortlaufende Simulation	Konstanten werden im Modell richtig verrechnet; plausible Output Ergebnisse	plausible Ouputs	i. O.
1210	LKT_Grundfaeche	xx	Parameter und Inputs bekannt	fortlaufende Simulation	LKT_Grundfaeche = 100	plausible Ouput; LKT_Grundfaeche = 100	i. O.
1220	LKT_Deckenhoehe	xx	Parameter und Inputs bekannt	fortlaufende Simulation	LKT_Deckenhoehe = 2.5	plausible Ouput; LKT_Deckenhoehe = 2.5	i. O.
1230	LKT_Etagen	xx	Parameter und Inputs bekannt	fortlaufende Simulation	LKT_Etagen = 2	plausible Ouput; LKT_Etagen = 2	i. O.
1240	LKT_Fensterfläche	xx	Parameter und Inputs bekannt	fortlaufende Simulation	LKT_Fensterfläche = 25	plausible Ouput; LKT_Fensterfläche = 25	i. O.
1250	LKT_Stromkosten	xx	Parameter und Inputs bekannt	fortlaufende Simulation	LKT_Stromkosten = 1082	plausible Ouput; LKT_Stromkosten = 1082	i. O.
1260	LKT_PersonenZuhause	xx	Parameter und Inputs bekannt	fortlaufende Simulation	LKT_PersonenZuhause = wechselnde Personenanzahl über Jahresverlauf	plausible Ouput; LKT_PersonenZuhause = wechselnde Personenanzahl über Jahresverlauf	i. O.
1270	LKT_Wasserverbrauch	xx	Parameter und Inputs bekannt	fortlaufende Simulation	LKT_Wasserverbrauch = steigender Verlauf;abhängig von Personenanzahl; Reset zum Jahreswechsel	plausible Ouput; LKT_Wasserverbrauch = steigender Verlauf;abhängig von Personenanzahl; Reset zum Jahreswechsel	i. O.
1280	LKT_Temperatur	xx	Parameter und Inputs bekannt	fortlaufende Simulation	LKT_Temperatur = schwankenden Verlauf über Jahr	plausible Ouput; LKT_Temperatur = schwankenden Verlauf über Jahr	i. O.
1290	LKT_Simulationszeit	xx	Parameter und Inputs bekannt	fortlaufende Simulation	LKT_Simulationszeit = stetig ansteigend	plausible Ouput; LKT_Simulationszeit = stetig ansteigend	i. O.
1211	LKT_Stromverbrauch	xx	Parameter und Inputs bekannt	fortlaufende Simulation	LKT_Stromverbrauch = steigender Verlauf;abhängig von Personenanzahl; Reset zum Jahreswechsel	plausible Ouput; LKT_Stromverbrauch = steigender Verlauf;abhängig von Personenanzahl; Reset zum Jahreswechsel	i. O.

Abbildung 13: Integrationstest des Moduls "LKT - Lastkollektive" & die Outputs

Systemtest

Der Systemtest ist der letzte Schritt in der Testphase des V-Modells. Hier werden alle Komponenten und Submodule zu einem System integriert und dann im Verbund getestet. Dies stellt das erste Mal dar, dass das System als ein Ganzes getestet wird. Um zu überprüfen ob die Outputs Sinn ergeben, muss daher eine Vielzahl einzelner Signale überprüft werden. Dazu wurde der Bus mit allen Outputs des Systems in drei Kategorien aufgeteilt: Temperaturen, Leistung und Verschiedene. In dem Temperaturen-Bus finden sich die Signale: ISO.ISO_temp; LKT.LKT_Temperatur; EXP.ESP_Warmwassertemperatur; HZR.HZR_Solltemperatur. In dem Leistung-Bus finden sich die Signale: HZT.HZT_VerbrauchteLeistung; HZR.HZR_Warmwasserheizleistung_Waermepumpe; HZR.HZR_Warmwasserheizleistung; HZR.HZR_Heizleistung; HZT.HZT_Warmwasserspeicher_verbrauchte_Leistung; EEZ.EEZ_PVLeistungAC; ESP.ESP_Warmwassertemperatur. In dem Verschiedene-Bus finden sich nur die Signale LKT.LKT_Stromverbrauch sowie LKT.LKT_Wasserverbrauch.

Abbildung 14: Scope, welches die Signale für den Systemtest plottet

Mithilfe dieser Signale wurde das System durch die Gruppe LKT getestet. Im Anschluss die Dokumentation der Ergebnisse dieses Systemtests:

Testfall-ID	Testfall-Name	Anforderungs-ID	Vorbedingungen und Eingänge	Aktionen	Erwartetes Ergebnis	Ergebnis	Bewertung	Kommentar
001	Test auf Funktionalität		Parameter geladen.	Simulation eines Zeitschritts	Simulation kompiliert	Simulation kompiliert	i. O.
002	Funktioniert die Heizleistung im Winter		Parameter geladen.	Vergleich LKT-Temperatur & Heizleistung	Bei niedrigerer Außertemperatur mehr Heizleistung	Heizleistung springt	n. i. O.	Heizleistung vorhanden, springt aber zwischen Maximal -& Minimalleistung
003	Verhält sich die PV_Leistung an einem Wintertag angemessen		Parameter geladen. / Simulation bis Tag 1	Vergleich PV_LeistungAC mit Sommertag	Höhere PV_Leistung im Sommer	Höhere PV_Leistung im Sommer	i. O.
004	Wie verhält sich die PV_Leistung an einem Sommertag angemessen		Parameter geladen. / Simulation bis Tag 200	Vergleich PV_LeistungAC mit Wintertag	Niedrigere PV-Leistung im Winter	Niedrigere PV-Leistung im Winter	i. O.
005	Wird das Haus im Winter geheizt?		Parameter geladen. / Simulation bis Tag 1	Vergleich ISO_IstTemp & HZR_Solltemperatur	ISO_IstTemp folgt der HZR_Solltemperatur	ISO_IstTemp folgt der HZR_Solltemperatur	siehe Kommentar	HZR_Solltemperatur springt bis 30, meistens aber nur 15 Grad Celsius
006	Wird das Haus im Sommer gekühlt?		Parameter geladen. / Simulation bis Tag 200	Vergleich ISO_IstTemp & HZR_Solltemperatur	ISO_IstTemp folgt der HZR_Solltemperatur	ISO_IstTemp folgt der HZR_Solltemperatur	siehe Kommentar	HZR_Solltemperatur springt aber nur 15 Grad Celsius

Abbildung 15: Ergebnis des Systemtests für einen Wintertag

Abbildung 16: Ergebnis des Systemtests für einen Sommertag

Fazit

Das Ziel der Seminaraufgabe im Sommersemester 2023 war die Simulation des Energiehaushaltes eines Hauses. Zu Beginn des Semesters wurde hierzu eine Vorgehensweise nach dem V-Modell ausgewählt. In dem V-Modell werden zu Beginn in dem Lastenheft, dem Systementwurf sowie der Komponentenspezifikation die Anforderungen an das Endprodukt beschrieben, welche Schritt für Schritt an Detail gewinnen. In der Programmierungsphase werden die beschriebenen Anforderungen dann umgesetzt. Dies geschah hier mit MATLAB Simulink. In der anschließenden Validierungsphase wird das Produkt getestet, sodass es im letzten Schritt abgenommen werden kann. Um eine vollständige Funktionalität nach den Tests sicherzustellen wurde zunächst ein Komponententest, dann ein Integrationstest und zuletzt ein Systemtest durchgeführt. So kann das Produkt zunehmend näher an seinem finalen Zustand getestet werden. Da die Modellierung des Energiehaushaltes eines Hauses sehr umfangreich ist, wurden sechs Gruppen gebildet (Lastkollektive, Energieerzeugung, Energiespeicher, Heizungsreglung, Heizung-& Klimatechnik & Isoliereigenschaften des Hauses). Jede Gruppe modellierte ihr jeweiliges Teilgebiet und testete anschließend die Ergebnisse einer anderen Gruppe. Die Gruppe LKT wurde beispielsweise durch die Gruppe ISO getestet. So konnten Kommunikationsfehler oder Unstimmigkeiten verbessert und gelöst werden. Durch den Kurs konnte anhand eines praxisnahen Beispiels die Projektabwicklung nach dem V-Modell geübt werden. So wurde das gesamte V-Modell mit allen Schritten einmal durchlaufen. Schlussendlich konnte das gesamte Haus mit allen Submodulen integriert werden und bildete ein lauffähiges Projekt. Die Ergebnisse sind trotz einiger Unregelmäßigkeiten größtenteils sinnvoll und können somit genutzt werden, um den Energieverbrauch sowie die Effizienz eines Hauses mit Wärmepumpe, Solaranlage und Batteriespeicher zu simulieren.

Arbeitsergebnisse

Die erarbeiteten Ergebnisse und Dokumentationen des Teilmoduls Lastkollektive befinden sich in SVN im Ordner LKT_Lastkollektive. Das fertige Projekt zur Simulation des Energiehaushaltes eines Hauses befindet in dem Ordner Software und kann getestet werden.

Für den Nachbau des Projektes sind sämtliche Dateien nochmals in dieser zip-Datei angehängt:

Datei:Nachbau LKT.zip

Literaturverzeichnis

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→ zum Hauptartikel: Systems Design Engineering - Seminaraufgabe SoSe 2023: Energiehaushalt eines Hauses