Energiehaushalt eines Hauses: Isoliereigenschaften des Hauses ISO: Unterschied zwischen den Versionen

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'''Autoren:''' [[Benutzer:Nico Kasprik|Nico Kasprik]]; [[Benutzer:Jonas Loddenkemper|Jonas Loddenkemper]] <br/>
'''Autoren:''' [[Benutzer:Nico Kasprik|Nico Kasprik]]; [[Benutzer:Jonas Loddenkemper|Jonas Loddenkemper]] <br/>
'''Betreuer:''' [[Benutzer:Prof._Mirek_Göbel| Prof. Dr.-Ing. M. Göbel]]
'''Betreuer:''' [[Benutzer:Prof._Mirek_Göbel| Prof. Dr.-Ing. M. Göbel]]
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[[Kategorie:BSE/SDE-EnergieHaus]]


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== Einleitung ==
== Einleitung ==


Im Rahmen des Studiengangs [[Business and Systems Engineering|Business and Systems Engineering]] wird den Studierenden in der Lehrveranstaltung Systems Design Engineering eine praxisorientierte Herangehensweise an die Entwicklung technischer Systeme vermittelt. Ein bewährtes Modell, das für diesen Zweck angewendet wird, ist das V-Modell. Im Sommersemester 2023 stand die Simulation des [[Systems Design Engineering - Seminaraufgabe SoSe 2023: Energiehaushalt eines Hauses| Energiehaushalt eines Hauses]] im Fokus der Studierenden. Dabei wurde das Gesamtsystem in einzelne Module aufgeteilt und von verschiedenen Gruppen realisiert.


Dieser Artikel beleuchtet die Methoden und Ansätze, die von der Gruppe ISO - Isoliereigenschaften des Hauses verwendet wurden, um den Wärmeverlust, die Wärmekapazität und die Innentemperatur des Hauses zu bestimmen. Darüber hinaus werden die Herausforderungen, Tests und Erkenntnisse während des Entwicklungsprozesses herausgestellt, um einen Einblick in die praktische Anwendung des erlernten Wissens zu geben.


== Zielsetzung der Seminaraufgabe ==
== Zielsetzung der Seminaraufgabe ==
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Das V-Modell lässt sich in neun unterschiedliche Phasen aufteilen. In der '''Anforderungsdefinition''' werden Anforderungen an das Softwareprojekt erfasst. In der Regel werden die Anforderungen in einem Lastenheft festgehalten. Ziel des '''funktionalen Systementwurfs''' ist es, eine klare und eindeutige  Beschreibung des Systems zu erstellen, die als Grundlage für die weitere Entwicklung dient. Der '''technische Systementwurf''' zeichnet sich dadurch aus, dass Schnittstellen und Komponenten definiert werden. In der Phase der '''Komponentenspezifikation''' werden Vorarbeiten für Programmierung vollzogen. Es wird analysiert, wie geplante Funktionen in der Software umsetzten sind. In dem fünften Schritt der '''Programmierung''' wird der eigentliche Code geschrieben/ generiert und die Komponenten und Module der Software entwickelt. Die gesamte Testphase gliedert sich in den '''Komponententest''', '''Integrationstest''' und dem '''Systemtest''', sowie der '''Abnahme''' auf. Dort werden nach der Implementierung zuerst die Komponenten, dann die Module, bis hin zu dem gesamten System auf ihre Funktionsfähigkeit überprüft. In den Testphasen kann es immer wieder zu Anpassungen an der Software kommen. In der letzten Phase, der Abnahme, wird das Endprodukt an den Entwicklungsleiter bzw. Kunden übergeben.
Das V-Modell lässt sich in neun unterschiedliche Phasen aufteilen. In der '''Anforderungsdefinition''' werden Anforderungen an das Softwareprojekt erfasst. In der Regel werden die Anforderungen in einem Lastenheft festgehalten. Ziel des '''funktionalen Systementwurfs''' ist es, eine klare und eindeutige  Beschreibung des Systems zu erstellen, die als Grundlage für die weitere Entwicklung dient. Der '''technische Systementwurf''' zeichnet sich dadurch aus, dass Schnittstellen und Komponenten definiert werden. In der Phase der '''Komponentenspezifikation''' werden Vorarbeiten für Programmierung vollzogen. Es wird analysiert, wie geplante Funktionen in der Software umsetzten sind. In dem fünften Schritt der '''Programmierung''' wird der eigentliche Code geschrieben/ generiert und die Komponenten und Module der Software entwickelt. Die gesamte Testphase gliedert sich in den '''Komponententest''', '''Integrationstest''' und dem '''Systemtest''', sowie der '''Abnahme''' auf. Dort werden nach der Implementierung zuerst die Komponenten, dann die Module, bis hin zu dem gesamten System auf ihre Funktionsfähigkeit überprüft. In den Testphasen kann es immer wieder zu Anpassungen an der Software kommen. In der letzten Phase, der Abnahme, wird das Endprodukt an den Entwicklungsleiter bzw. Kunden übergeben.


[[Datei:V-Modell.png|500px|thumb|left|Absatz|Abbildung. 2: V-Modell ]]
[[Datei:V-Modell Sommer 2023.jpg|500px|thumb|zentriert|Absatz|Abbildung 2: V-Modell ]]
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== Anforderungsdefinition: Lastenheft ==
== Anforderungsdefinition: Lastenheft ==


In der ersten Phase des V-Modells wurden die Anforderungen an das Softwareprojekt definiert. Die Anforderungen wurden in einem Lastenheft festgehalten und von Prof. Dr. Göbel bewertet. Daraufhin wurden die Anforderungen an das Teilsystem angepasst. Die Anforderungen für die Isoliereigenschaften des Hauses teilen sich in 12 Unterpunkte auf ''(siehe Tabelle 1)''. Die allgemeinen Anforderungen und die Rahmenbedingungen beschreiben grundlegende Aspekte, die zuvor festgelegt wurden. Weiterhin bilden die Anforderungen der einzelnen strukturellen Elemente des Hauses die allgemeinen Isolieranforderungen. In der Anforderungsdefinition sind zudem Anforderungen an die nächsten Entwicklungsphasen definiert worden. Ebenso werden im Lastenheft auch die Software und die Dokumentation betrachtet.
In der ersten Phase des V-Modells wurden die Anforderungen an das Softwareprojekt definiert. Die Anforderungen wurden in einem Lastenheft festgehalten und von [[Benutzer:Prof._Mirek_Göbel| Prof. Dr.-Ing. M. Göbel]] bewertet. Daraufhin wurden die Anforderungen an das Teilsystem angepasst. Die Anforderungen für die Isoliereigenschaften des Hauses teilen sich in 12 Unterpunkte auf ''(siehe Tabelle 1)''. Die allgemeinen Anforderungen und die Rahmenbedingungen beschreiben grundlegende Aspekte, die zuvor festgelegt wurden. Weiterhin bilden die Anforderungen der einzelnen strukturellen Elemente des Hauses die allgemeinen Isolieranforderungen. In der Anforderungsdefinition sind zudem Anforderungen an die nächsten Entwicklungsphasen definiert worden. Ebenso werden im Lastenheft auch die Software und die Dokumentation betrachtet.


{| class="wikitable mw-collapsible mw-collapsed"
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== Funktionaler Systementwurf ==
== Funktionaler Systementwurf ==


Der funktionale Systementwurf war im Sommersemester 2023 kein Bestandteil der Gruppenaufgabe und wurde von Prof. Dr. Göbel bereitgestellt.
Der funktionale Systementwurf wurde im Verlauf des Sommersemesters 2023 nicht als integraler Bestandteil der Gruppenaufgabe berücksichtigt, stattdessen wurde er von [[Benutzer:Prof._Mirek_Göbel| Prof. Dr.-Ing. M. Göbel]], wie in Abbildung 3 zu sehen, bereitgestellt.
 
[[Datei:Funktionaler Systementwurf Sommer 23.pdf|500px|thumb|zentriert|Absatz|Abbildung 3: Gesamtsystem]]


== Technischer Systementwurf ==
== Technischer Systementwurf ==


Der Abschnitt "Technischer Systementwurf" im V-Modell umfasst die Phase, in der die Anforderungen aus dem funktionalen Systementwurf in eine detaillierte technische Spezifikation überführt werden. Dabei werden die verschiedenen technischen Komponenten identifiziert und deren Funktionen sowie Schnittstellen definiert. Die Gruppe ISO ist dabei in die folgenden vier Komponenten aufgeteilt:
* Flaechenberechnung
* Waermeverlust
* Warmekapazitaet
* IstTemp
Die Komponente "Flaechenberechnung" ermittelt aus den bereitgestellten Daten des [[Energiehaushalt eines Hauses: Lastkollektive LKT|Lastkollektivs]] verschiedene Werte, wie zum Beispiel die Wand- und Fensterfläche. Innerhalb der Komponente "Waermeverlust" wird mittels der Differenz zwischen Außen- und aktuellen Innentemperatur der Wärmeverlust (oder auch "Wärmegewinn") durch die Außenflächen berechnet. Dazu wurde für alle vorhandenen Flächen der U-Wert (Wärmedurchgangskoeffizient) ermittelt. Unter der "Warmekapazitaet" eines Hauses wird die gespeicherte Wärmeenergie innerhalb der Außenflächen verstanden. Jede Oberfläche hat dabei eine spezifische Wärmekapazität pro m². Die gespeicherte Wärme- oder auch Kälteenergie beeinflusst dabei die Reaktion des Gesamtsystems auf eine Temperaturänderung. Aus all diesen Werten wird letztlich in der Komponente "IstTemp" die aktuelle Innenraumtemperatur ermittelt. Diese gilt als Einflussgröße für die zuzuführende Heiz- oder Kühlleistung und beeinflusst währenddessen dauerhaft Faktoren wie zum Beispiel den Waermeverlust.
[[Datei:Technischer Systementwurf in Simulink.png|700px|thumb|zentriert|Absatz|Abbildung 4: Technischer Systementwurf]]


== Komponentenspezifikation ==
== Komponentenspezifikation ==
   
Im Rahmen der Komponentenspezifikation werden die Funktion, das Verhalten, die interne Struktur sowie die Schnittstellen für die im technischen Systementwurf entwickelten Komponenten definiert. In den Folgenden Tabellen werden die Spezifikationen der vier Komponenten detailliert aufgeführt.
 
=== Flaechenberechnung ===
Die für alle weiteren Berechnungen notwendigen Flächen werden in dieser Komponente berechnet.
 
<div class="mw-collapsible mw-collapsed ">
 
'''Eingänge'''
{| class="wikitable"
| align="center" style="background:#5ebef3; width:250px;"|'''Eingänge'''
| align="center" style="background:#f0f0f0; width:688px;"|'''Beschreibung'''
| align="center" style="background:#f0f0f0; width:100px;"|'''Einheit'''
|-
| PAR_LKT_Grundflaeche || Größe der Grundfläche || [m²]
|-
| PAR_LKT_Deckenhoehe || Höhe der Decke || [m]
|-
| PAR_LKT_Fensterflaeche || Prozentanteil der Fensterfläche von der Gesamtfläche der Wand || [%]
|}
''Tabelle 2.1: Eingänge Flächenberechnung''
 
'''Ausgänge'''
{| class="wikitable"
| align="center" style="background:#00CA00; width:250px;"|'''Ausgänge'''
| align="center" style="background:#f0f0f0; width:800px;"|'''Beschreibung'''
| align="center" style="background:#f0f0f0; width:100px;"|'''Einheit'''
|-
| ISO_FlaecheWand||Fläche der Wände || [m²]
| ISO_FlaecheFenster||Fläche der Wände || [m²]
|}
''Tabelle 2.2: Ausgänge Flächenberechnung''
 
'''Parameter'''
{| class="wikitable"
| align="center" style="background:#5ebef3; width:250px;"|'''Parameter'''
| align="center" style="background:#f0f0f0; width:688px;"|'''Beschreibung'''
| align="center" style="background:#f0f0f0; width:100px;"|'''Einheit'''
|-
| - || - || -
|}
''Tabelle 2.3: Parameter Flächenberechnung''
 
'''Spezifikationen'''
{| class="wikitable"
| align="center" style="background:#80a0ff;"|'''ID'''
| align="center" style="background:#80a0ff;"|'''Kapitel'''
| align="center" style="background:#80a0ff;"|'''Inhalt'''
| align="center" style="background:#80a0ff;"|'''Ersteller'''
| align="center" style="background:#80a0ff;"|'''Datum'''
|-
| || 1 || Flächenberechnung || Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik || 05.05.2023
|-
| 111 ||  || Berechnung der Wandfläche aus LKT-Daten  || Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik || 05.05.2023
|-
| 112 ||  || Berechnung der Fensterfläche aus LKT-Daten || Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik || 05.05.2023
|}
''Tabelle 2.4: Spezifikationen Flächenberechnung''
</div>
 
=== Waermeverlust ===
Die Komponente "Waermeverlust" verwendet die Temperaturdifferenz zwischen der Außentemperatur und der aktuellen Innentemperatur, um den Wärmeverlust (oder -gewinn) durch die Außenflächen zu berechnen. Hierfür wurde der U-Wert (Wärmedurchgangskoeffizient) für alle vorhandenen Flächen ermittelt.
 
<div class="mw-collapsible mw-collapsed ">
 
'''Eingänge'''
{| class="wikitable"
| align="center" style="background:#e7d050; width:250px;"|'''Eingänge'''
| align="center" style="background:#f0f0f0; width:800px;"|'''Beschreibung'''
| align="center" style="background:#f0f0f0; width:100px;"|'''Einheit'''
|-
| ISO_Flaeche_Fenster || Fensterfläche des Hauses || [m²]
|-
| LKT_Temperatur || Außentemperatur von Lastkollektiv || [°C]
|-
| ISO_FlaecheWand || Wandfläche des Hauses || [m²]
|-
| ISO_IstTemp || Aktuelle Innentemperatur || [°C]
|-
| LKT_Grundflaeche || Grundfläche des Hauses || [m²]
|}
''Tabelle 3.1: Eingänge Wärmeverlust''
 
'''Ausgänge'''
{| class="wikitable"
| align="center" style="background:#00CA00; width:250px;"|'''Ausgänge'''
| align="center" style="background:#f0f0f0; width:800px;"|'''Beschreibung'''
| align="center" style="background:#f0f0f0; width:100px;"|'''Einheit'''
|-
| ISO_Waermeverlust || Wärmeverlust durch Außenfläche || [W]
|-
|}
''Tabelle 3.2: Ausgänge Wärmeverlust''
 
'''Parameter'''
{| class="wikitable"
| align="center" style="background:#5ebef3; width:250px;"|'''Parameter'''
| align="center" style="background:#f0f0f0; width:688px;"|'''Beschreibung'''
| align="center" style="background:#f0f0f0; width:100px;"|'''Einheit'''
| align="center" style="background:#f0f0f0; width:100px;"|'''Wert'''
|-
| PAR_ISO_DachUWert || U-Wert des Dachs || [W/(m²K)] || 0,188
|-
| PAR_ISO_BodenUWert || U-Wert des Bodens || [W/(m²K)] || 0,073
|-
| PAR_ISO_WaendeUWert || U-Wert der Wände || [W/(m²K)] || 0,187
| PAR_ISO_FensterUWert || U-Wert der Fenster || [W/(m²K)] || 0,5
|}
''Tabelle 3.3: Parameter Wärmeverlust''
 
'''Spezifikationen'''
{| class="wikitable"
| align="center" style="background:#80a0ff;"|'''ID'''
| align="center" style="background:#80a0ff;"|'''Kapitel'''
| align="center" style="background:#80a0ff;"|'''Inhalt'''
| align="center" style="background:#80a0ff;"|'''Ersteller'''
| align="center" style="background:#80a0ff;"|'''Datum'''
|-
|  || 2.1 || Wärmeverlust || Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik || 05.05.2023
|-
| 211 ||  || U-Werte der einzelnen Oberflächen werden eingelesen || Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik || 05.05.2023
|-
| 212 ||  || Flächen werden von LKT und ISO eingelesen || Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik || 05.05.2023
|-
| 213 ||  || Innentemperatur wird eingelesen || Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik || 05.05.2023
|-
|  ||  ||  ||  ||
|-
|  || 2.2 || Berechnung || Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik || 05.05.2023
|-
| 221 ||  || Mittels Oberflächen und Temperaturdifferenz wird der Wärmeverlust in [W] ermittelt || Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik || 05.05.2023
|-
|}
''Tabelle 3.4: Spezifikationen Wärmeverlust''
</div>
 
 
=== Warmekapazitaet ===
Die "Warmekapazitaet" eines Hauses bezieht sich auf die gespeicherte Wärmeenergie, die sich innerhalb der Außenflächen befindet. Jede Oberfläche weist eine spezifische Wärmekapazität pro Quadratmeter auf. Die gespeicherte Wärme- oder Kälteenergie hat einen maßgeblichen Einfluss auf die Reaktion des Gesamtsystems auf eine Veränderung der Temperatur.
 
<div class="mw-collapsible mw-collapsed ">
 
'''Eingänge'''
{| class="wikitable"
| align="center" style="background:#e7d050; width:250px;"|'''Eingänge'''
| align="center" style="background:#f0f0f0; width:800px;"|'''Beschreibung'''
| align="center" style="background:#f0f0f0; width:100px;"|'''Einheit'''
|-
| ISO_FlaecheWand || Wandfläche des Hauses || [m²]
|-
| LKT_Grundflaeche || Grundfläche des Hauses || [m²]
|-
| ISO_FlaecheFenster || Fensterfläche des Hauses || [m²]
|}
''Tabelle 4.1: Eingänge Wärmekapazität''
 
'''Ausgänge'''
{| class="wikitable"
| align="center" style="background:#00CA00; width:250px;"|'''Ausgänge'''
| align="center" style="background:#f0f0f0; width:800px;"|'''Beschreibung'''
| align="center" style="background:#f0f0f0; width:100px;"|'''Einheit'''
|-
| ISO_Waermekapazitaet || Wärmekapazität des Hauses || [J/K]
|}
''Tabelle 4.2: Ausgänge Wärmekapazität''
 
'''Parameter'''
{| class="wikitable"
| align="center" style="background:#5ebef3; width:250px;"|'''Parameter'''
| align="center" style="background:#f0f0f0; width:688px;"|'''Beschreibung'''
| align="center" style="background:#f0f0f0; width:100px;"|'''Einheit'''
| align="center" style="background:#f0f0f0; width:100px;"|'''Wert'''
|-
| PAR_ISO_WarmekapazitaetWand || Wärmekapazität der Wände || [kJ/(m²*K)] || 353
|-
| PAR_ISO_WarmekapazitaetDach || Wärmekapazität des Dachs || [kJ/(m²*K)] || 448
|-
| PAR_ISO_WarmekapazitaetBoden || Wärmekapazität des Bodens || [kJ/(m²*K)] || 63
|-
| PAR_ISO_WarmekapazitaetFenster || Wärmekapazität der Fenster || [kJ/(m²*K)] || 21,6
|}
''Tabelle 4.3: Parameter Wärmekapazität''
 
'''Spezifikationen'''
{| class="wikitable"
| align="center" style="background:#80a0ff;"|'''ID'''
| align="center" style="background:#80a0ff;"|'''Kapitel'''
| align="center" style="background:#80a0ff;"|'''Inhalt'''
| align="center" style="background:#80a0ff;"|'''Ersteller'''
| align="center" style="background:#80a0ff;"|'''Datum'''
|-
|  || 3.1 || Warmekapazitaet || Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik || 05.05.2023
|-
| 311 ||  || Ermittlung der Wärmekapazität der Wände || Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik || 05.05.2023
|-
| 312 ||  || Ermittlung der Wärmekapazität des Dachs || Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik || 05.05.2023
|-
| 313 ||  || Ermittlung der Wärmekapazität des Bodens || Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik || 05.05.2023
|-
| 314 ||  || Ermittlung der Wärmekapazität der Fenster || Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik || 05.05.2023
|-
|  || 3.2 || Berechnung || Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik || 05.05.2023
|-
| 321 ||  || Die U-Werte werden mit den jeweiligen Flächenwerten Multipliziert, um Gesamtwärmekapazitäten zu ermitteln || Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik || 05.05.2023
|-
| 322 ||  || Gesamtwärmekapazitäten werden summiert und anschließend mit 1000 multipliziert umd [J/K] zu ermitteln || Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik || 05.05.2023
|}
''Tabelle 4.4: Spezifikationen Wärmekapazität''
</div>
 
 
=== IstTemp ===
Mittels der vorliegenden Daten wird in der Komponente "IstTemp" schließlich die gegenwärtige Innenraumtemperatur ermittelt.
 
<div class="mw-collapsible mw-collapsed ">
 
'''Eingänge'''
{| class="wikitable"
| align="center" style="background:#e7d050; width:250px;"|'''Eingänge'''
| align="center" style="background:#f0f0f0; width:800px;"|'''Beschreibung'''
| align="center" style="background:#f0f0f0; width:100px;"|'''Einheit'''
|-
| ISO_Warmekapazitaet || Wärmekapazität des Hauses || [J/K]
|-
| HZR_Heizleistung || Zugeführte Heiz- bzw. Kühlleistung || [W]
|-
| ISO_Waermeverlust || Durch die Wände verlorene/gewonnene Energie || [W]
|}
''Tabelle 5.1: Eingänge IstTemp''
 
'''Ausgänge'''
{| class="wikitable"
| align="center" style="background:#00CA00; width:250px;"|'''Ausgänge'''
| align="center" style="background:#f0f0f0; width:800px;"|'''Beschreibung'''
| align="center" style="background:#f0f0f0; width:100px;"|'''Einheit'''
|-
| ISO_IstTemp || Aktuelle Innenraumtemperatur des Hauses || [°C]
|}
''Tabelle 5.2: Ausgänge IstTemp''
 
'''Parameter'''
{| class="wikitable"
| align="center" style="background:#5ebef3; width:250px;"|'''Parameter'''
| align="center" style="background:#f0f0f0; width:688px;"|'''Beschreibung'''
| align="center" style="background:#f0f0f0; width:100px;"|'''Einheit'''
| align="center" style="background:#f0f0f0; width:100px;"|'''Wert'''
|-
| - || - || - || -
|}
''Tabelle 5.3: Spezifikationen IstTemp''
 
'''Spezifikationen'''
{| class="wikitable"
| align="center" style="background:#80a0ff;"|'''ID'''
| align="center" style="background:#80a0ff;"|'''Kapitel'''
| align="center" style="background:#80a0ff;"|'''Inhalt'''
| align="center" style="background:#80a0ff;"|'''Ersteller'''
| align="center" style="background:#80a0ff;"|'''Datum'''
|-
|  || 4.1 || IstTemp Berechnung || Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik || 05.05.2023
|-
| 411 ||  || Ermittlung der Wärmeenergie des Hauses in J || Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik || 05.05.2023
|-
| 412 ||  || Aufheizung/Abkühlung durch Summe Heizleistung & Wärmeverlust ermitteln || Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik || 05.05.2023
|-
| 413 ||  || Durch Gewichtung der Wärmeenergie und anschließender Integration wird die Ist-Temperatur ermittelt || Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik || 05.05.2023
|}
''Tabelle 5.4: Spezifikationen IstTemp''
</div>
 
 


== Programmierung / Modellierung ==
== Programmierung / Modellierung ==
Der Abschnitt "Programmierung/Modellierung" im V-Modell beschreibt die Phase, in der die Softwarekomponenten entwickelt und modelliert werden. Diese Phase beinhaltet sowohl die  Modellierung der Softwarearchitektur, Datenstrukturen und Algorithmen. Dabei wird Matlab/Simulink als Modellierungswerkzeug verwendet, um die spezifizierten Anforderungen umzusetzen. Zusätzlich zur Modellierung in Matlab/Simulink wurden die benötigten Parameter in einer Matlab-Datei (.m) gespeichert und durch das Gesamtsystem in die Simulation eingebunden.


=== Parameterdatei ===
<pre>
% parameter_ISO
% Waermekapazitaet [kJ/(m²K)]
PAR_ISO_WarmekapazitaetWand = 353;        % fuer Haus errechnete Waermekapazitaet (alle Waende)
PAR_ISO_WarmekapazitaetDach = 448;        % fuer Haus errechnete Waermekapazitaet (ganzes Dach)
PAR_ISO_WarmekapazitaetFenster = 21.6;    % fuer Haus errechnete Waermekapazitaet (alle Fenster)
PAR_ISO_WarmekapazitaetBoden = 63;        % fuer Haus errechnete Waermekapazitaet (ganzer Boden)
% Uwert [W/(m²K)]
PAR_ISO_WaendeUWert = 0.187;                % fuer Haus errechneter UWert (alle Waende)           
PAR_ISO_DachUWert = 0.188;                  % fuer Haus errechneter UWert (ganzes Dach) 
PAR_ISO_FensterUWert = 0.5;                % fuer Haus errechneter UWert (alle Fenster) 
PAR_ISO_BodenUWert = 0.073;                % fuer Haus errechneter UWert (ganzer Boden) 
</pre>
=== Flächenberechnung ===
Im Simulink-Subsystem "Flaechenberechnung" werden mithilfe der vom [[Energiehaushalt eines Hauses: Lastkollektive LKT| Lastkollektiv]] die Wand- und Fensterflächen in [m²] ermittelt.
[[Datei:Flächenberechnung.png|700px|thumb|zentriert|Absatz|Abbildung 5: Flächenberechnung]]
=== Wärmeverlust ===
Die Komponente "Wärmeverlust" ermittelt anhand der Temperaturdifferenz zwischen dem Außen- und Innenbereich, den vorher berechneten und zur Verfügung gestellten Flächen sowie den ermittelten U-Werten der einzelnen Oberflächen den Wärmeverlust in Form einer Leistungseinheit [W]. Falls die Außentemperatur höher ist als die Innentemperatur, ergibt sich ein positiver Wert, der einem "Wärmegewinn" oder einer Erwärmung des Innenraums entspricht.
[[Datei:Wärmeverlust.png|700px|thumb|zentriert|Absatz|Abbildung 6: Wärmeverlust]]
=== Wärmekapazität ===
Der Ausgabewert ISO_Waermekapazitaet wird in der Komponente "Warmekapazitaet" errechnet. Hierzu wurden im vorhinein die Wärmekapazitäten der einzelnen Oberflächen ermittelt. Durch eine Multiplikation der Wärmekapazitäten mit den eingefügten Parametern und einer Umrechnung von [kJ/K] in [J/K] ergibt anschließend die Ausgabe in [J/K].
[[Datei:Wärmekapazität.png|700px|thumb|zentriert|Absatz|Abbildung 7: Wärmekapazität]]
=== IstTemp ===
In der letzten Komponente der Gruppe "Isoliereigenschaften des Hauses" wird die Innenraumtemperatur in Form des Ausgabewerts "ISO_IstTemp" berechnet. Zu Beginn wird die in den Außenflächen des Hauses gespeicherte Wärmeenergie in [J] aus der Wärmekapazität in [J/K] und der Wandtemperatur [°C] ermittelt. Um ein plausibles Ergebnis im Temperaturanstieg und -abstieg zu erhalten, wird dieser Wert noch mit einem Verstärkungsfaktor, dem "Gain", verarbeitet. Der bekannte Wert "ISO_Wärmeverlust" aus der Komponente "Wärmeverlust" wird mit der bereitgestellten Heizleistung "HZR_Heizleistung" summiert und anschließend mit der Wärmeenergie multipliziert. Das resultierende Produkt wird integriert, und schließlich wird die Innentemperatur als Ergebnis ausgegeben.
[[Datei:IstTemp.png|700px|thumb|zentriert|Absatz|Abbildung 8: IstTemp]]


== Komponententest ==
== Komponententest ==


Der Komponententest bildet die erste Testphase nach dem V-Modell ab. In dieser Phase werden die unterschiedlichen Komponenten des Teilsystems isoliert voneinander getestet und auf ihre Funktion überprüft. Eine Komponente ist immer für eine Aufgabe in dem Teilsystem zuständig. Dementsprechend wird in dieser Testphase auf einer der kleinstmöglichen Ebenen getestet. Das Simulink Modell zur Abbildung der Isolierungseigenschaften des Hauses besteht aus vier Komponenten. Die Komponente Flächenberechnung berechnet die Wandfläche und die Fensterfläche. Über die Komponente Wärmeverlust wird der Energieverlust des Hauses berechnet. Die Komponente Wärmekapazität gibt an, wie viel Energie im Haus gespeichert werden kann. Die IstTemp berechnet die Haustemperatur zum Zeitpunkt X.
Der Komponententest bildet die erste Testphase nach dem V-Modell ab. In dieser Phase werden die unterschiedlichen Komponenten des Teilsystems isoliert voneinander getestet und auf ihre Funktion überprüft. Eine Komponente ist immer für eine Aufgabe in dem Teilsystem zuständig. Dementsprechend wird in dieser Testphase auf einer der kleinstmöglichen Ebenen getestet. Das Simulink Modell zur Abbildung der Isolierungseigenschaften des Hauses besteht aus vier Komponenten. Die Komponente Flächenberechnung berechnet die Wandfläche und die Fensterfläche. Über die Komponente Wärmeverlust wird der Energieverlust des Hauses berechnet. Die Komponente Wärmekapazität gibt an, wie viel Energie im Haus gespeichert werden kann. Die IstTemp berechnet die Haustemperatur zum Zeitpunkt X.
Der Test der Komponenten wurde durch die Gruppe EEZ durchgeführt. Die Testergebnisse werden für jede Komponente als Tabelle dargestellt ''(siehe Tabelle 2-5)''. Dabei wurden die Komponenten mit plausiblen Eingangsparametern versorgt und das Ergebnis anschließend bewertet.
Der Test der Komponenten wurde durch die Gruppe EEZ durchgeführt. Die Testergebnisse werden für jede Komponente ''(siehe Abbildung 9-11)'' als Tabelle dargestellt ''(siehe Tabelle 6-9)''. Dabei wurden die Komponenten mit plausiblen Eingangsparametern versorgt und das Ergebnis anschließend bewertet.
 


=== Flächenberechnung ===
=== Flächenberechnung ===
[[Datei:Flaechenberechnung.png|250px|thumb|right|Absatz|Abbildung 9: Komponente Flächenberechnung]]
'''Eingänge und Parameter'''
* PAR_LKT_Grundflaeche = <math>100\,m^2</math>
* PAR_LKT_Deckenhoehe = <math>2{,}5\,m</math>
* PAR_LKT_Fensterflaeche = <math>25\,\%</math>
'''Ausgänge'''
* ISO_FlaecheWand [<math>m^2</math>]
* ISO_FlaecheFenster [<math>m^2</math>]


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''Tabelle 2: Flächenberechnung''
''Tabelle 6: Flächenberechnung''


=== Wärmeverlust ===
=== Wärmeverlust ===
[[Datei:Waermeverlust.png|250px|thumb|right|Absatz|Abbildung 10: Komponente Wärmeverlust]]
'''Eingänge und Parameter'''
* PAR_LKT_Grundflaeche = <math>100\,m^2</math>
* ISO_FlaecheWand = <math>75\,m^2</math>
* ISO_FlaecheFenster = <math>25\,m^2</math>
* PAR_LKT_Temperatur aus Temperaturdaten.mat
* ISO_IstTemp = <math>25\,^{\circ}C</math>
* PAR_ISO_WaendeUWert = <math>0{,}187\,W/(m^2K)</math>
* PAR_ISO_DachUWert = <math>0{,}188\,W/(m^2K)</math>
* PAR_ISO_FensterUWert = <math>0{,}5\,W/(m^2K)</math>
* PAR_ISO_BodenUWert = <math>0{,}073\,W/(m^2K)</math>
'''Ausgänge'''
* ISO_Waermeverlust [W]
* ISO_TempDiff [°C]


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</div>
''Tabelle 3: Wärmeverlust''
''Tabelle 7: Wärmeverlust''


=== Wärmekapazität ===
=== Wärmekapazität ===
[[Datei:Waermekapazitaet.png|250px|thumb|right|Absatz|Abbildung 11: Komponente Wärmekapazität]]
'''Eingänge und Parameter'''
* ISO_FlaecheWand = <math>100\,m^2</math>
* ISO_Grundflaeche = <math>100\,m^2</math>
* ISO_FlaecheFenster = <math>25\,m^2</math>
* PAR_ISO_WaermekapazitaetWand = <math>353\,kJ/(m^2K)</math>
* PAR_ISO_WaermekapazitaetDach = <math>448\,kJ/(m^2K)</math>
* PAR_ISO_WaermekapazitaetFenster = <math>21{,}6\,kJ/(m^2K)</math>
* PAR_ISO_WaermekapazitaetBoden = <math>63\,kJ/(m^2K)</math>
'''Ausgänge'''
* ISO_Waermekapazitaet


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''Tabelle 4: Wärmekapazität''
''Tabelle 8: Wärmekapazität''


=== Ist-Temperatur ===
=== Ist-Temperatur ===
[[Datei:IstTemp-Ermittlung.png|250px|thumb|right|Absatz|Abbildung 12: Komponente Ist-Temperatur]]
'''Eingänge und Parameter'''
* ISO_Waermekapazitaet = <math>25\,kWh</math>
'''Ausgänge'''
* ISO_IstTemp [<math>^{\circ}C</math>]


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''Tabelle 5: Ist-Temperatur''
''Tabelle 9: Ist-Temperatur''


== Integrationstest ==
== Integrationstest ==


Der Integrationstest stellt die zweite Testphase dar. In diesem Test werden die Komponenten als ein Verbund getestet (Modul). Dabei liegt das Hauptaugenmerk auf der Überprüfung der Korrektheit der Signale und der Erfüllung der Systemanforderungen. Wie zuvor auch, wurde der Modultest von der Gruppe EEZ durchgeführt. Die Testergebnisse werden für das Modul als Tabelle dargestellt. Dabei wurde das ganze Teilsystem mit plausiblen Eingangsparametern versorgt und die Ist-Temperatur als einzigen weitergebenden Output bewertet.
Der Integrationstest stellt die zweite Testphase dar. In diesem Test werden die Komponenten als ein Verbund getestet (Modul). Dabei liegt das Hauptaugenmerk auf der Überprüfung der Korrektheit der Signale und der Erfüllung der Systemanforderungen. Wie zuvor auch, wurde der Modultest von der Gruppe EEZ durchgeführt. Die Testergebnisse werden für das Modul ''(siehe Abbildung 13)'' als Tabelle dargestellt ''(siehe Tabelle 10)''. Dabei wurde das ganze Teilsystem mit plausiblen Eingangsparametern versorgt und die Ist-Temperatur als einzigen weitergebenden Output bewertet.
 
 
[[Datei:ISO IsoliereigenschaftenHaus.png|700px|thumb|zentriert|Absatz|Abbildung 13: Modul ISO]]
 
 


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''Tabelle 10: Integrationstest''


== Systemtest ==
== Systemtest ==


Nachdem die Komponenten und das Modul erfolgreich getestet und überarbeitet wurden, wurden für den Systemtest alle Teilsystem zu einem Gesamtsystem „Haus“ zusammengeführt. In dieser Phase wird das gesamte System auf seine Funktionsfähigkeit und Plausibilität überprüft und anschließend bewertet. Dafür wurden alle wichtigen Ausgabeparameter über einen „Scope“ in Matlab Simulink visualisiert. Die Testergebnisse werden in ''Tabelle 11'' aufgeführt.


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''Tabelle 11: Systemtest''
=== Ergebnisse des getesteten Systems ===
Nachdem das System getestet wurde, wurde dieses noch einmal leicht überarbeitet. Im Folgenden werden die Ergebnisse der finalen Version dargestellt. In ''Abbildung 14'' wird der Verlauf der Soll-Temperatur, Ist-Temperatur, Außentemperatur und der zugeführten Heizleistung visualisiert. Erkennbar wird, dass die Ist-Temperatur, wie erwartet, sich der Soll-Temperatur anpasst. Zwischenzeitlich sinkt die Soll-Temperatur allerdings auf 11 °C fehlerhaft ab. Die PV Leistung verfolgt einen plausiblen Verlauf mit einem Peak tagsüber. In der Nacht fällt die PV-Leistung auf 0. Zum besseren Verständnis des Tag-Nachtzyklus wird die Außentemperatur in ''Abbildung 15'' ebenfalls dargestellt. Ebenso liefert die Warmwasserleistung einen plausiblen Wert über den Tagesverlauf ''(siehe Abbildung 16)''. Wie in ''Abbildung 17'' zu erkennen, liegt die Warmwassertemperatur konstant bei 130 °C. Die ''Abbildung 18'' zeigt, dass die Anzahl der Bewohner im Verlauf eines Tages plausibel variiert. Ebenso werden Urlaubszeiträume in der Simulation mitbrachtet. Der Stromverbrauch in der Simulation steigt kontinuierlich an. Dieses Verhalten ist unabhängig und damit fehlerhaft von der Anzahl der Bewohner im Haus. Nur in den Urlaubszeiträumen ''(siehe Abbildung 19)'' steigt der Stromverbrauch nicht. 
<gallery widths="200px" perrow ="3" style="margin:0 auto;">
Datei:Soll-Ist-Aussen-Leistung.png| Abbildung 14: Überprüfen der Temperaturen und Heizleistung
Datei:PV-Leistung.png| Abbildung 15: Überprüfung PV-Leistung
Datei:WW-Leistung.png| Abbildung 16: Überprüfung Warmwasserleistung
Datei:WW-Temp.png| Abbildung 17: Überprüfen Warmwassertemperatur
Datei:Personenzuhause.png| Abbildung 18: Überprüfung Anzahl Bewohner
Datei:Stromverbrauch.png|Abbildung 19: Überprüfung Abhängigkeit Anzahl Bewohner und Stromverbrauch
</gallery>
<br clear = all>


== Fazit ==
== Fazit ==


Im Rahmen des Studiengangs [[Business and Systems Engineering|Business and Systems Engineering]] wurde im Sommersemester 2023 im Fach Systems Design Engineering das Thema der Simulation des Energiehaushalts eines Hauses behandelt. Der Fokus lag auf der Anwendung des V-Modells, einem bewährten Modell zur Entwicklung technischer Systeme. Der vorliegende Artikel beschreibt die Herangehensweise der Gruppe "ISO - Isoliereigenschaften des Hauses" bei der Bestimmung des Wärmeverlusts, der Wärmekapazität und der Innentemperatur des Hauses. Zudem werden die Herausforderungen, Tests und Erkenntnisse während des Entwicklungsprozesses erläutert, um einen praxisnahen Einblick in die Anwendung des erlernten Wissens zu geben.
Die Seminaraufgabe bestand darin, das V-Modell auf ein Haus als System anzuwenden und das Gesamtsystem in verschiedene Teilsysteme aufzuteilen. Der Entwicklungsprozess umfasste die Anforderungsdefinition, den technischen Systementwurf, die Komponentenspezifikation, die Programmierung/Modellierung mit [[Matlab/Simulink|Matlab/Simulink]], sowie den Komponenten- und Integrationstest. Durch die schrittweise Testung der Komponenten und das Zusammenführen zu einem Gesamtsystem wurde ein Softwareentwicklungsprozess durchlaufen, um Fehler zu vermeiden und eine funktionierende Lösung zu gewährleisten.
Die Ergebnisse des getesteten Systems wurden präsentiert und analysiert. Dabei wurde festgestellt, dass die Ist-Temperatur des Hauses der Soll-Temperatur folgt, jedoch zwischenzeitlich einen fehlerhaften Abfall aufweist. Die PV-Leistung und die Warmwasserleistung zeigten einen plausiblen Verlauf über den Tagesverlauf, während die Warmwassertemperatur konstant bei 130 °C lag. Die Anzahl der Bewohner variierte realistisch im Verlauf eines Tages, wobei auch Urlaubszeiträume in der Simulation berücksichtigt wurden.
Insgesamt liefert der Artikel einen Einblick in die Anwendung des V-Modells auf den Energiehaushalt eines Hauses. Die Beschreibung der einzelnen Entwicklungsphasen, der durchgeführten Tests und der erreichten Ergebnisse vermittelt das Verständnis für eine praxisorientierte Herangehensweise an die Entwicklung technischer Systeme. Es wurde insgesamt ein funktionierendes Gesamtsystem entwickelt und meist plausible Simulationsergebnisse erreicht, wodurch es möglich ist den Energiehaushalt eines Hauses zu simulieren. Durch die Identifizierung von Fehlern und die Analyse der Testergebnisse konnten wertvolle Erkenntnisse gewonnen werden, um das System weiter zu verbessern und energieeffizientere Lösungen zu entwickeln.


== Literaturverzeichnis ==
== Literaturverzeichnis ==

Aktuelle Version vom 13. Juli 2023, 12:11 Uhr

Abbildung 1: Symbolbild der Seminaraufgabe [1]

Autoren: Nico Kasprik; Jonas Loddenkemper
Betreuer: Prof. Dr.-Ing. M. Göbel

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


Einleitung

Im Rahmen des Studiengangs Business and Systems Engineering wird den Studierenden in der Lehrveranstaltung Systems Design Engineering eine praxisorientierte Herangehensweise an die Entwicklung technischer Systeme vermittelt. Ein bewährtes Modell, das für diesen Zweck angewendet wird, ist das V-Modell. Im Sommersemester 2023 stand die Simulation des Energiehaushalt eines Hauses im Fokus der Studierenden. Dabei wurde das Gesamtsystem in einzelne Module aufgeteilt und von verschiedenen Gruppen realisiert.

Dieser Artikel beleuchtet die Methoden und Ansätze, die von der Gruppe ISO - Isoliereigenschaften des Hauses verwendet wurden, um den Wärmeverlust, die Wärmekapazität und die Innentemperatur des Hauses zu bestimmen. Darüber hinaus werden die Herausforderungen, Tests und Erkenntnisse während des Entwicklungsprozesses herausgestellt, um einen Einblick in die praktische Anwendung des erlernten Wissens zu geben.

Zielsetzung der Seminaraufgabe

Ziel der Seminaraufgabe ist es, das V-Modell auf ein System anzuwenden. Im Zuge des Seminars wurde sich zuvor für das Modell „Haus“ entschieden. Das System „Haus“ wurde dabei in verschiedene, für den Energiehaushalt wichtige, Teilsysteme aufgeteilt. Dabei sollte die komplette Entwicklungsphase von der Anforderungsdefinition bis hin zur Modellierung und Simulation für ein Teilsystem durchlaufen werden. Anschließend sollte das Teilsystem Schritt für Schritt getestet werden. Dabei wurden im ersten Schritt die Komponenten getestet. Darauffolgend wurde das Modul getestet. Im letzten Schritt wurden alle von den Gruppen erstellten Teilsysteme, in ein System integriert und auf ihre Funktion überprüft. Mithilfe des V-Modells sollten die Studierenden Schritt für Schritt einen Softwareentwicklungsprozess durchlaufen. Dabei sollten, über eine gute Entwicklungsphase, Fehler präventiv vermieden werden. Über die Testungen von kleinen Komponenten hin zum kompletten System, sollten Fehler schneller identifiziert und behoben werden.

V-Modell

Das V-Modell beschreibt eine Projektmanagementmethode speziell für die Entwicklung von Software. Das V-Modell trägt seinen Namen, da die durchlaufenden Phasen des Entwicklungsprozesses in der Form eines „V“ angeordnet sind. Dabei ergeben sich zwei Arme. Der linke Arm beschreibt die Entwicklungsphase, während der rechte Arm den Phasenfluss der Testung beschreibt. [2]

  Das V-Modell lässt sich in neun unterschiedliche Phasen aufteilen. In der Anforderungsdefinition werden Anforderungen an das Softwareprojekt erfasst. In der Regel werden die Anforderungen in einem Lastenheft festgehalten. Ziel des funktionalen Systementwurfs ist es, eine klare und eindeutige  Beschreibung des Systems zu erstellen, die als Grundlage für die weitere Entwicklung dient. Der technische Systementwurf zeichnet sich dadurch aus, dass Schnittstellen und Komponenten definiert werden. In der Phase der Komponentenspezifikation werden Vorarbeiten für Programmierung vollzogen. Es wird analysiert, wie geplante Funktionen in der Software umsetzten sind. In dem fünften Schritt der Programmierung wird der eigentliche Code geschrieben/ generiert und die Komponenten und Module der Software entwickelt. Die gesamte Testphase gliedert sich in den Komponententest, Integrationstest und dem Systemtest, sowie der Abnahme auf. Dort werden nach der Implementierung zuerst die Komponenten, dann die Module, bis hin zu dem gesamten System auf ihre Funktionsfähigkeit überprüft. In den Testphasen kann es immer wieder zu Anpassungen an der Software kommen. In der letzten Phase, der Abnahme, wird das Endprodukt an den Entwicklungsleiter bzw. Kunden übergeben.

Abbildung 2: V-Modell


Anforderungsdefinition: Lastenheft

In der ersten Phase des V-Modells wurden die Anforderungen an das Softwareprojekt definiert. Die Anforderungen wurden in einem Lastenheft festgehalten und von Prof. Dr.-Ing. M. Göbel bewertet. Daraufhin wurden die Anforderungen an das Teilsystem angepasst. Die Anforderungen für die Isoliereigenschaften des Hauses teilen sich in 12 Unterpunkte auf (siehe Tabelle 1). Die allgemeinen Anforderungen und die Rahmenbedingungen beschreiben grundlegende Aspekte, die zuvor festgelegt wurden. Weiterhin bilden die Anforderungen der einzelnen strukturellen Elemente des Hauses die allgemeinen Isolieranforderungen. In der Anforderungsdefinition sind zudem Anforderungen an die nächsten Entwicklungsphasen definiert worden. Ebenso werden im Lastenheft auch die Software und die Dokumentation betrachtet.

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 Allgemeine Anforderungen Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 16.04.23
002 A Matlab 2022a nutzen/Arbeit in Bibliotheken Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 23.04.23 Akzeptiert
003 A Energieverbrauch senken Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 16.04.23 Akzeptiert das ist das Ziel, ja Siehe Einleitung
004 A CO2-Ausstoß senken Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 16.04.23 Akzeptiert das ist das Ziel, ja Siehe Einleitung
005 A Rohstoffauswahl hinsichtlich Erzeugung/Verarbeitbarkeit/Frei von schädlichen Chemikalien Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 16.04.23 Akzeptiert
006 A Rohstoffauswahl hinsichtlich Nachhaltigkeit Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 16.04.23 Akzeptiert
007 A Verbesserung des Wohnkomforts Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 16.04.23 Akzeptiert
008 A Erfüllung geltender Bauvorschriften Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 16.04.23 Abgelehnt das simulieren wir nicht mit ;-)
009 I 2 Rahmenbedingungen Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 16.04.23
010 A Schnittstellen definieren Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 16.04.23 Akzeptiert
011 A Grundriss, etc. auswerten, thermischen Körper erstellen und Flächen berechnen -> von Lastkollektiv mit Variablen Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 23.04.23 Akzeptiert Aufbau des Hauses und der Wände über Parameter beschreiben
012 A Wandaufbau als xls-Tabelle, Ergbenisse für Matlab zur Verfügung stellen Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 23.04.23 Akzeptiert Wand-Aufbau gerne als xls-Tabelle, deren Endergebnis Sie per Matlab einlesen
047 A Außentemperatur -> von Lastkollektiv Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 24.04.23 Akzeptiert
048 A Isttemperatur -> an Heizungsregelung geben Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 24.04.23 Akzeptiert
049 A Differenztemperaturen ermitteln Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 24.04.23 Abgelehnt das macht HZR, sie bekommen die Heizleistung.
050 A Aktuelle Energiezufuhr -> von Heizungstechnik Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 24.04.23 Akzeptiert
013 I 3 Dach Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 16.04.23
014 A Dämmstoff mit gutem U-Wert Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 16.04.23 Akzeptiert Grobe Skizze des Hauses anfertigen, daraus die Flächen bestimmen Wird in Schritt 011 für alle Oberflächen berechnet
015 I 4 Fenster Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 16.04.23
016 A Dämmstoff mit gutem U-Wert Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 16.04.23 Akzeptiert mit Einschr. mit einstellbarem U-Wert. Wir können alle Szenarien hiermit durchspielen/-simulieren.
017 A Einsatz von Dämmbändern Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 16.04.23 Abgelehnt ?? Wozu das? Das simulieren wir nicht mit.
018 I 5 Türen Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 16.04.23
019 A Dämmstoff mit gutem U-Wert Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 16.04.23 Akzeptiert
020 A Einsatz von Dämmbändern Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 16.04.23 Abgelehnt
021 I 6 Bodendämmung Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 16.04.23
022 A Dämmstoff mit gutem U-Wert Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 16.04.23 Akzeptiert
023 I 7 Fassaden Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 16.04.23
024 A Dämmstoff mit gutem U-Wert Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 16.04.23 Akzeptiert
025 I 8 Technischer Systementwurf Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 16.04.23
026 A Skizze der Komponenten mit Signalen in einem Simulinkmodell Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 16.04.23 Akzeptiert
027 I 9 Komponentenspezifikation Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 16.04.23
028 A Programmiervorbereitung Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 16.04.23 Akzeptiert
029 I 10 Komponenten-, Modul- und Systemtests Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 16.04.23
030 A Programmierung/Modellierung Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 16.04.23 Akzeptiert
031 A Erstellung eines Simulink-Modells Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 16.04.23 Akzeptiert
032 A Testen der Komponenten Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 16.04.23 Akzeptiert
033 A Testen der Module Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 16.04.23 Akzeptiert
034 A Testen der Systeme Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 16.04.23 Akzeptiert
035 I 11 Software Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 16.04.23
036 A Programmierung nach Namenskonvektion Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 16.04.23 Akzeptiert
037 A Ausführliche Kommentierung bei der Programmierung Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 16.04.23 Akzeptiert
038 A Übersichtliche Struktur Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 16.04.23 Akzeptiert
039 I 12 Dokumentation Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 16.04.23
040 A Erstellen eines Wiki-Artikels Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 16.04.23 Akzeptiert
041 A Beschreibung des Aufbaus Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 16.04.23 Akzeptiert
042 A Dokumentation zur Verwendung des Modells Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 16.04.23 Akzeptiert
043 A Dokumentation der Modellierung und Programmierung Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 16.04.23 Akzeptiert
044 A Erstellung eines technischen Systementwurfs Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper 16.04.23 Akzeptiert
045 I 13 Einleitung
046 E Ziel dieser Anforderungsliste ist es den Prozess der Optimierung eines modernen Hauses, hinsichtlich der Isolierung und Wärmeeigenschaften, zu strukturieren. Dabei ist das Ziel den CO2- Ausstoß und Energieverbrauch zu senken. Akzeptiert Sie müssen noch den Körper "Haus" als thermischen Körper beschreiben, der sich aufheizen, Wärme speichern und sich abkühlen kann. Wird in Schritt 011 erledigt

Tabelle 1: Anforderungsdefinitionen

Funktionaler Systementwurf

Der funktionale Systementwurf wurde im Verlauf des Sommersemesters 2023 nicht als integraler Bestandteil der Gruppenaufgabe berücksichtigt, stattdessen wurde er von Prof. Dr.-Ing. M. Göbel, wie in Abbildung 3 zu sehen, bereitgestellt.

Abbildung 3: Gesamtsystem

Technischer Systementwurf

Der Abschnitt "Technischer Systementwurf" im V-Modell umfasst die Phase, in der die Anforderungen aus dem funktionalen Systementwurf in eine detaillierte technische Spezifikation überführt werden. Dabei werden die verschiedenen technischen Komponenten identifiziert und deren Funktionen sowie Schnittstellen definiert. Die Gruppe ISO ist dabei in die folgenden vier Komponenten aufgeteilt:

  • Flaechenberechnung
  • Waermeverlust
  • Warmekapazitaet
  • IstTemp

Die Komponente "Flaechenberechnung" ermittelt aus den bereitgestellten Daten des Lastkollektivs verschiedene Werte, wie zum Beispiel die Wand- und Fensterfläche. Innerhalb der Komponente "Waermeverlust" wird mittels der Differenz zwischen Außen- und aktuellen Innentemperatur der Wärmeverlust (oder auch "Wärmegewinn") durch die Außenflächen berechnet. Dazu wurde für alle vorhandenen Flächen der U-Wert (Wärmedurchgangskoeffizient) ermittelt. Unter der "Warmekapazitaet" eines Hauses wird die gespeicherte Wärmeenergie innerhalb der Außenflächen verstanden. Jede Oberfläche hat dabei eine spezifische Wärmekapazität pro m². Die gespeicherte Wärme- oder auch Kälteenergie beeinflusst dabei die Reaktion des Gesamtsystems auf eine Temperaturänderung. Aus all diesen Werten wird letztlich in der Komponente "IstTemp" die aktuelle Innenraumtemperatur ermittelt. Diese gilt als Einflussgröße für die zuzuführende Heiz- oder Kühlleistung und beeinflusst währenddessen dauerhaft Faktoren wie zum Beispiel den Waermeverlust.

Abbildung 4: Technischer Systementwurf

Komponentenspezifikation

Im Rahmen der Komponentenspezifikation werden die Funktion, das Verhalten, die interne Struktur sowie die Schnittstellen für die im technischen Systementwurf entwickelten Komponenten definiert. In den Folgenden Tabellen werden die Spezifikationen der vier Komponenten detailliert aufgeführt.

Flaechenberechnung

Die für alle weiteren Berechnungen notwendigen Flächen werden in dieser Komponente berechnet.

Eingänge

Eingänge Beschreibung Einheit
PAR_LKT_Grundflaeche Größe der Grundfläche [m²]
PAR_LKT_Deckenhoehe Höhe der Decke [m]
PAR_LKT_Fensterflaeche Prozentanteil der Fensterfläche von der Gesamtfläche der Wand [%]

Tabelle 2.1: Eingänge Flächenberechnung

Ausgänge

Ausgänge Beschreibung Einheit
ISO_FlaecheWand Fläche der Wände [m²] ISO_FlaecheFenster Fläche der Wände [m²]

Tabelle 2.2: Ausgänge Flächenberechnung

Parameter

Parameter Beschreibung Einheit
- - -

Tabelle 2.3: Parameter Flächenberechnung

Spezifikationen

ID Kapitel Inhalt Ersteller Datum
1 Flächenberechnung Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik 05.05.2023
111 Berechnung der Wandfläche aus LKT-Daten Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik 05.05.2023
112 Berechnung der Fensterfläche aus LKT-Daten Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik 05.05.2023

Tabelle 2.4: Spezifikationen Flächenberechnung

Waermeverlust

Die Komponente "Waermeverlust" verwendet die Temperaturdifferenz zwischen der Außentemperatur und der aktuellen Innentemperatur, um den Wärmeverlust (oder -gewinn) durch die Außenflächen zu berechnen. Hierfür wurde der U-Wert (Wärmedurchgangskoeffizient) für alle vorhandenen Flächen ermittelt.

Eingänge

Eingänge Beschreibung Einheit
ISO_Flaeche_Fenster Fensterfläche des Hauses [m²]
LKT_Temperatur Außentemperatur von Lastkollektiv [°C]
ISO_FlaecheWand Wandfläche des Hauses [m²]
ISO_IstTemp Aktuelle Innentemperatur [°C]
LKT_Grundflaeche Grundfläche des Hauses [m²]

Tabelle 3.1: Eingänge Wärmeverlust

Ausgänge

Ausgänge Beschreibung Einheit
ISO_Waermeverlust Wärmeverlust durch Außenfläche [W]

Tabelle 3.2: Ausgänge Wärmeverlust

Parameter

Parameter Beschreibung Einheit Wert
PAR_ISO_DachUWert U-Wert des Dachs [W/(m²K)] 0,188
PAR_ISO_BodenUWert U-Wert des Bodens [W/(m²K)] 0,073
PAR_ISO_WaendeUWert U-Wert der Wände [W/(m²K)] 0,187 PAR_ISO_FensterUWert U-Wert der Fenster [W/(m²K)] 0,5

Tabelle 3.3: Parameter Wärmeverlust

Spezifikationen

ID Kapitel Inhalt Ersteller Datum
2.1 Wärmeverlust Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik 05.05.2023
211 U-Werte der einzelnen Oberflächen werden eingelesen Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik 05.05.2023
212 Flächen werden von LKT und ISO eingelesen Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik 05.05.2023
213 Innentemperatur wird eingelesen Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik 05.05.2023
2.2 Berechnung Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik 05.05.2023
221 Mittels Oberflächen und Temperaturdifferenz wird der Wärmeverlust in [W] ermittelt Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik 05.05.2023

Tabelle 3.4: Spezifikationen Wärmeverlust


Warmekapazitaet

Die "Warmekapazitaet" eines Hauses bezieht sich auf die gespeicherte Wärmeenergie, die sich innerhalb der Außenflächen befindet. Jede Oberfläche weist eine spezifische Wärmekapazität pro Quadratmeter auf. Die gespeicherte Wärme- oder Kälteenergie hat einen maßgeblichen Einfluss auf die Reaktion des Gesamtsystems auf eine Veränderung der Temperatur.

Eingänge

Eingänge Beschreibung Einheit
ISO_FlaecheWand Wandfläche des Hauses [m²]
LKT_Grundflaeche Grundfläche des Hauses [m²]
ISO_FlaecheFenster Fensterfläche des Hauses [m²]

Tabelle 4.1: Eingänge Wärmekapazität

Ausgänge

Ausgänge Beschreibung Einheit
ISO_Waermekapazitaet Wärmekapazität des Hauses [J/K]

Tabelle 4.2: Ausgänge Wärmekapazität

Parameter

Parameter Beschreibung Einheit Wert
PAR_ISO_WarmekapazitaetWand Wärmekapazität der Wände [kJ/(m²*K)] 353
PAR_ISO_WarmekapazitaetDach Wärmekapazität des Dachs [kJ/(m²*K)] 448
PAR_ISO_WarmekapazitaetBoden Wärmekapazität des Bodens [kJ/(m²*K)] 63
PAR_ISO_WarmekapazitaetFenster Wärmekapazität der Fenster [kJ/(m²*K)] 21,6

Tabelle 4.3: Parameter Wärmekapazität

Spezifikationen

ID Kapitel Inhalt Ersteller Datum
3.1 Warmekapazitaet Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik 05.05.2023
311 Ermittlung der Wärmekapazität der Wände Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik 05.05.2023
312 Ermittlung der Wärmekapazität des Dachs Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik 05.05.2023
313 Ermittlung der Wärmekapazität des Bodens Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik 05.05.2023
314 Ermittlung der Wärmekapazität der Fenster Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik 05.05.2023
3.2 Berechnung Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik 05.05.2023
321 Die U-Werte werden mit den jeweiligen Flächenwerten Multipliziert, um Gesamtwärmekapazitäten zu ermitteln Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik 05.05.2023
322 Gesamtwärmekapazitäten werden summiert und anschließend mit 1000 multipliziert umd [J/K] zu ermitteln Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik 05.05.2023

Tabelle 4.4: Spezifikationen Wärmekapazität


IstTemp

Mittels der vorliegenden Daten wird in der Komponente "IstTemp" schließlich die gegenwärtige Innenraumtemperatur ermittelt.

Eingänge

Eingänge Beschreibung Einheit
ISO_Warmekapazitaet Wärmekapazität des Hauses [J/K]
HZR_Heizleistung Zugeführte Heiz- bzw. Kühlleistung [W]
ISO_Waermeverlust Durch die Wände verlorene/gewonnene Energie [W]

Tabelle 5.1: Eingänge IstTemp

Ausgänge

Ausgänge Beschreibung Einheit
ISO_IstTemp Aktuelle Innenraumtemperatur des Hauses [°C]

Tabelle 5.2: Ausgänge IstTemp

Parameter

Parameter Beschreibung Einheit Wert
- - - -

Tabelle 5.3: Spezifikationen IstTemp

Spezifikationen

ID Kapitel Inhalt Ersteller Datum
4.1 IstTemp Berechnung Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik 05.05.2023
411 Ermittlung der Wärmeenergie des Hauses in J Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik 05.05.2023
412 Aufheizung/Abkühlung durch Summe Heizleistung & Wärmeverlust ermitteln Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik 05.05.2023
413 Durch Gewichtung der Wärmeenergie und anschließender Integration wird die Ist-Temperatur ermittelt Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik 05.05.2023

Tabelle 5.4: Spezifikationen IstTemp


Programmierung / Modellierung

Der Abschnitt "Programmierung/Modellierung" im V-Modell beschreibt die Phase, in der die Softwarekomponenten entwickelt und modelliert werden. Diese Phase beinhaltet sowohl die Modellierung der Softwarearchitektur, Datenstrukturen und Algorithmen. Dabei wird Matlab/Simulink als Modellierungswerkzeug verwendet, um die spezifizierten Anforderungen umzusetzen. Zusätzlich zur Modellierung in Matlab/Simulink wurden die benötigten Parameter in einer Matlab-Datei (.m) gespeichert und durch das Gesamtsystem in die Simulation eingebunden.

Parameterdatei


% parameter_ISO

% Waermekapazitaet [kJ/(m²K)]
PAR_ISO_WarmekapazitaetWand = 353;         % fuer Haus errechnete Waermekapazitaet (alle Waende)
PAR_ISO_WarmekapazitaetDach = 448;         % fuer Haus errechnete Waermekapazitaet (ganzes Dach)
PAR_ISO_WarmekapazitaetFenster = 21.6;     % fuer Haus errechnete Waermekapazitaet (alle Fenster)
PAR_ISO_WarmekapazitaetBoden = 63;         % fuer Haus errechnete Waermekapazitaet (ganzer Boden)

% Uwert [W/(m²K)]
PAR_ISO_WaendeUWert = 0.187;                % fuer Haus errechneter UWert (alle Waende)            
PAR_ISO_DachUWert = 0.188;                  % fuer Haus errechneter UWert (ganzes Dach)   
PAR_ISO_FensterUWert = 0.5;                 % fuer Haus errechneter UWert (alle Fenster)   
PAR_ISO_BodenUWert = 0.073;                 % fuer Haus errechneter UWert (ganzer Boden)

Flächenberechnung

Im Simulink-Subsystem "Flaechenberechnung" werden mithilfe der vom Lastkollektiv die Wand- und Fensterflächen in [m²] ermittelt.

Abbildung 5: Flächenberechnung

Wärmeverlust

Die Komponente "Wärmeverlust" ermittelt anhand der Temperaturdifferenz zwischen dem Außen- und Innenbereich, den vorher berechneten und zur Verfügung gestellten Flächen sowie den ermittelten U-Werten der einzelnen Oberflächen den Wärmeverlust in Form einer Leistungseinheit [W]. Falls die Außentemperatur höher ist als die Innentemperatur, ergibt sich ein positiver Wert, der einem "Wärmegewinn" oder einer Erwärmung des Innenraums entspricht.

Abbildung 6: Wärmeverlust

Wärmekapazität

Der Ausgabewert ISO_Waermekapazitaet wird in der Komponente "Warmekapazitaet" errechnet. Hierzu wurden im vorhinein die Wärmekapazitäten der einzelnen Oberflächen ermittelt. Durch eine Multiplikation der Wärmekapazitäten mit den eingefügten Parametern und einer Umrechnung von [kJ/K] in [J/K] ergibt anschließend die Ausgabe in [J/K].

Abbildung 7: Wärmekapazität

IstTemp

In der letzten Komponente der Gruppe "Isoliereigenschaften des Hauses" wird die Innenraumtemperatur in Form des Ausgabewerts "ISO_IstTemp" berechnet. Zu Beginn wird die in den Außenflächen des Hauses gespeicherte Wärmeenergie in [J] aus der Wärmekapazität in [J/K] und der Wandtemperatur [°C] ermittelt. Um ein plausibles Ergebnis im Temperaturanstieg und -abstieg zu erhalten, wird dieser Wert noch mit einem Verstärkungsfaktor, dem "Gain", verarbeitet. Der bekannte Wert "ISO_Wärmeverlust" aus der Komponente "Wärmeverlust" wird mit der bereitgestellten Heizleistung "HZR_Heizleistung" summiert und anschließend mit der Wärmeenergie multipliziert. Das resultierende Produkt wird integriert, und schließlich wird die Innentemperatur als Ergebnis ausgegeben.

Abbildung 8: IstTemp

Komponententest

Der Komponententest bildet die erste Testphase nach dem V-Modell ab. In dieser Phase werden die unterschiedlichen Komponenten des Teilsystems isoliert voneinander getestet und auf ihre Funktion überprüft. Eine Komponente ist immer für eine Aufgabe in dem Teilsystem zuständig. Dementsprechend wird in dieser Testphase auf einer der kleinstmöglichen Ebenen getestet. Das Simulink Modell zur Abbildung der Isolierungseigenschaften des Hauses besteht aus vier Komponenten. Die Komponente Flächenberechnung berechnet die Wandfläche und die Fensterfläche. Über die Komponente Wärmeverlust wird der Energieverlust des Hauses berechnet. Die Komponente Wärmekapazität gibt an, wie viel Energie im Haus gespeichert werden kann. Die IstTemp berechnet die Haustemperatur zum Zeitpunkt X. Der Test der Komponenten wurde durch die Gruppe EEZ durchgeführt. Die Testergebnisse werden für jede Komponente (siehe Abbildung 9-11) als Tabelle dargestellt (siehe Tabelle 6-9). Dabei wurden die Komponenten mit plausiblen Eingangsparametern versorgt und das Ergebnis anschließend bewertet.


Flächenberechnung

Abbildung 9: Komponente Flächenberechnung

Eingänge und Parameter

  • PAR_LKT_Grundflaeche =
  • PAR_LKT_Deckenhoehe =
  • PAR_LKT_Fensterflaeche =

Ausgänge

  • ISO_FlaecheWand []
  • ISO_FlaecheFenster []
Testfall-ID Testfall-Name Anforderungs-ID Vorbedingungen und Eingänge Aktionen Erwartetes Ergebnis Ergebnis Bewertung Kommentar
001 Test auf die Aktualisierung der Dateien 001 Software SVN vorbereiten. Update SVN ohne Fehlermeldung ohne Fehlermeldung i. O. -
002 Test auf die Matlab/Simulink Version 002 Simulink Version10.5 (R2022a) vorbereite. Matlab Skript "start.m" mit Matlab R2022a öffnen und run Haus.slx geöffnet; ohne Fehlermeldung Haus.slx geöffnet; ohne Fehlermeldung i. O. -
003 Test auf alle Eingänge = 0 011 "Simulinkmodul für daie geteste Komponent erstellt Parameter geladen." Simulation eines Zeitschritts ohne Fehlermeldung; alle Ausgänge = 0 ohne Fehlermeldung; alle Ausgänge = 0 i. O. -
004 Test auf korrekte Formel für ISO_FlaecheFenster 011 "Parameter geladen; PAR_LKT_Grundflaeche = 100 m^2; PAR_LKT_Deckenhoehe = 2,5 m; PAR_LKT_Fensterflaeche = 25; Simulation eines Zeitschritts ISO_FlaecheFenster = 25 m^2; ISO_FlaecheFenster = 25 m^2; i. O. -
005 Test auf korrekte Formel für ISO_FlaecheWand 011 "Parameter geladen; PAR_LKT_Grundflaeche = 100 m^2; PAR_LKT_Deckenhoehe = 2,5 m; PAR_LKT_Fensterflaeche = 25; Simulation eines Zeitschritts ISO_FlaecheWand = 75 m^2; ISO_FlaecheWand = 75 m^2; i. O. -

Tabelle 6: Flächenberechnung

Wärmeverlust

Abbildung 10: Komponente Wärmeverlust

Eingänge und Parameter

  • PAR_LKT_Grundflaeche =
  • ISO_FlaecheWand =
  • ISO_FlaecheFenster =
  • PAR_LKT_Temperatur aus Temperaturdaten.mat
  • ISO_IstTemp =
  • PAR_ISO_WaendeUWert =
  • PAR_ISO_DachUWert =
  • PAR_ISO_FensterUWert =
  • PAR_ISO_BodenUWert =

Ausgänge

  • ISO_Waermeverlust [W]
  • ISO_TempDiff [°C]
Testfall-ID Testfall-Name Anforderungs-ID Vorbedingungen und Eingänge Aktionen Erwartetes Ergebnis Ergebnis Bewertung Kommentar
001 Test auf die Aktualisierung der Dateien 001 Software SVN vorbereiten. Update SVN ohne Fehlermeldung ohne Fehlermeldung i. O. -
002 Test auf die Matlab/Simulink Version 002 Simulink Version10.5 (R2022a) vorbereiten. Matlab Skript "start.m" mit Matlab R2022a öffnen und run Haus.slx geöffnet; ohne Fehlermeldung Haus.slx geöffnet; ohne Fehlermeldung i. O. -
003 Test auf alle Eingänge = 0 028 Simulinkmodul für das geteste Komponent erstellt； Parameter geladen. Simulation eines Zeitschritts ohne Fehlermeldung; alle Ausgänge = 0 ohne Fehlermeldung; alle Ausgänge = 0 i. O. -
004 Test auf die PAR_LKT_Temperatur 047 "Matlab Skript erstellt; " Run Matlab Skript Außentemperatur wird geladen Außentemperatur wird geladen i. O. -
005 Test auf die ISO_IstTemp 048 Definieren Ist-Temperatur “ISO_IstTemp = 25 Run Matlab Skript Ist-Temperatur wird definiert und geladen Ist-Temperatur wird definiert und geladen i. O. -
006 Test auf die ISO_TempDiff 049 Parameter geladen; PAR_LKT_Temperatur = 10 °C; ISO_IstTemp = 25 °C; Simulation eines Zeitschritts TempDiff = -15 °C； TempDiff = -15 °C； i. O. -
007 Test des Wärmeverlusts der Wandfläche 023 ISO_IstTemp = 25 °C; Simulation eines Zeitschritts Waermeverlust = -210,4W Waermeverlust = -210,4W i. O. -
008 Test des Wärmeverlusts der Fensterfläche 016 Parameter geladen; PAR_FlaecheWand = 0; PAR_Flaeche_Fenster = 25; PAR_Grundflache = 0; PAR_LKT_Temperatur = 10 °C; ISO_IstTemp = 25 °C; Simulation eines Zeitschritts Waermeverlust = -187,5W Waermeverlust = -187,5W i. O. -
009 Test des Wärmeverlusts der Bodenfläche 022 Parameter geladen; PAR_FlaecheWand = 0; PAR_Flaeche_Fenster = 0; PAR_Grundflache = 100; PAR_LKT_Temperatur = 10 °C; ISO_IstTemp = 25 °C; Simulation eines Zeitschritts Waermeverlust = -391,5W Waermeverlust = -391,5W i. O. -
010 Test des Wärmeverlusts des Dachs 014 "Parameter geladen; PAR_FlaecheWand = 0; PAR_Flaeche_Fenster = 0; PAR_Grundflache = 100; PAR_LKT_Temperatur = 10 °C; ISO_IstTemp = 25 °C; Simulation eines Zeitschritts Waermeverlust = -391,5W Waermeverlust = -391,5W i. O. -

Tabelle 7: Wärmeverlust

Wärmekapazität

Abbildung 11: Komponente Wärmekapazität

Eingänge und Parameter

  • ISO_FlaecheWand =
  • ISO_Grundflaeche =
  • ISO_FlaecheFenster =
  • PAR_ISO_WaermekapazitaetWand =
  • PAR_ISO_WaermekapazitaetDach =
  • PAR_ISO_WaermekapazitaetFenster =
  • PAR_ISO_WaermekapazitaetBoden =

Ausgänge

  • ISO_Waermekapazitaet
Testfall-ID Testfall-Name Anforderungs-ID Vorbedingungen und Eingänge Aktionen Erwartetes Ergebnis Ergebnis Bewertung Kommentar
001 Test auf alle Eingänge = 0 032 Parameter geladen Simulation eines Zeitschritts alle Ausgänge = 0 alle Ausgänge = 0 i. O. Keine Anforderung im Lastenheft dazu gefunden
002 Test auf korrekte Formel, wenn Außentemperatur größer als Innentemperatur ist 032 Parameter geladen; ISO_TempDiff=1K Simulation eines Zeitschritts ISO_Waermekapazitaet = (ISO_FlacheWand * PAR_ISO_WarmekapazitaetWand + LKT_Grundflaeche * (PAR_ISO_WarmekapazitaetDach + PAR_ISO_WarmekapazitaetBoden) + ISO_FlaecheFenster * PAR_ISO_WarmekapazitaetFenster) * ISO_TempDiff * 0.00028kWh/J = 24,3432kWh 24,3432 i. O. Keine Anforderung im Lastenheft dazu gefunden
003 Test auf korrekte Formel, wenn Innentemperatur größer als Außentemperatur ist 032 Parameter geladen; ISO_TempDiff=-1K Simulation eines Zeitschritts ISO_Waermekapazitaet = (ISO_FlacheWand * PAR_ISO_WarmekapazitaetWand + LKT_Grundflaeche * (PAR_ISO_WarmekapazitaetDach + PAR_ISO_WarmekapazitaetBoden) + ISO_FlaecheFenster * PAR_ISO_WarmekapazitaetFenster) * ISO_TempDiff * 0.00028kWh/J = -24,3432kWh -24,3432 i. O. Keine Anforderung im Lastenheft dazu gefunden -> macht eine negative Wärmekapazität Sinn?
004 Test auf Einheiten 032 - Einheiten der Signale ohne Simulation überprüft Wärmekapazität laut Wikipedia in J/K Wärmekapazität in J bzw. kWh, also eine Energie n. i. O. Ist der Ausgang dann eher eine Wärmeenergie? https://de.wikipedia.org/wiki/W%C3%A4rmekapazit%C3%A4t

Tabelle 8: Wärmekapazität

Ist-Temperatur

Abbildung 12: Komponente Ist-Temperatur

Eingänge und Parameter

  • ISO_Waermekapazitaet =

Ausgänge

  • ISO_IstTemp []
Testfall-ID Testfall-Name Anforderungs-ID Vorbedingungen und Eingänge Aktionen Erwartetes Ergebnis Ergebnis Bewertung Kommentar
001 Test auf alle Eingänge = 0 048 Parameter geladen Simulation eines Zeitschritts alle Ausgänge = 0 alle Ausgänge = 0 i. O. -
002 Test auf verbrauchte Leistung größer als Wärmeverlust 048, 050 HZT_Verbrauchteleistung = 200 W ISO_Waermeverlust = 100 W Simulation mehrere Zeitschritte, da Integratorblock genutzt wird Ausgang ISO_IstTemp steigt an Ausgang ISO_IstTemp steigt an i. O. Gain-Block muss angepasst werden. Temperatur steigt aktuell drastisch an auf unrealistische Werte. Evtl. begrenzen mit Saturationsblock.
003 Test auf Wärmeverlust größer als verbrauchte Leistung 048, 050 HZT_Verbrauchteleistung = 100 W ISO_Waermeverlust = 200 W Simulation mehrere Zeitschritte, da Integratorblock genutzt wird Ausgang ISO_IstTemp sinkt ab Ausgang ISO_IstTemp sinkt ab i. O. Gain-Block muss angepasst werden. Temperatur sinkt aktuell drastisch ab auf unrealistische Werte. Evtl. begrenzen mit Saturationsblock.

Tabelle 9: Ist-Temperatur

Integrationstest

Der Integrationstest stellt die zweite Testphase dar. In diesem Test werden die Komponenten als ein Verbund getestet (Modul). Dabei liegt das Hauptaugenmerk auf der Überprüfung der Korrektheit der Signale und der Erfüllung der Systemanforderungen. Wie zuvor auch, wurde der Modultest von der Gruppe EEZ durchgeführt. Die Testergebnisse werden für das Modul (siehe Abbildung 13) als Tabelle dargestellt (siehe Tabelle 10). Dabei wurde das ganze Teilsystem mit plausiblen Eingangsparametern versorgt und die Ist-Temperatur als einzigen weitergebenden Output bewertet.


Abbildung 13: Modul ISO


Testfall-ID Testfall-Name Anforderungs-ID Vorbedingungen und Eingänge Aktionen Erwartetes Ergebnis Ergebnis Bewertung Kommentar
001 Startbedingungen - - "Initial Condition" des Integratorblocks als Parameter einstellen - - n. i. O. Parameter anlegen, mit dem die Starttemperatur im Haus eingestellt werden kann: PAR_ISO_IstTempInit
002 Draußen kälter als Drinnen 047 HZT_Verbrauchleistung = 0; LKT_Temperatur = 0°C; PAR_ISO_IstTempInit = 15°C Simulation eine Sekunde Haus kühlt ab Haus wärmt auf n. i. O. Den "Gain" im Block IstTemp haben wir auf 0.0001 gesetzt. Hier nochmal checken, was da ein passender Wert ist
003 Draußen wärmer als Drinnen 047 HZT_Verbrauchleistung = 0; LKT_Temperatur = 20°C; Simulation eine Sekunde Haus wärmt auf Haus wärmt auf i. O. Den "Gain" im Block IstTemp haben wir auf 0.0001 gesetzt. Hier nochmal checken, was da ein passender Wert ist
004 Einfluss Heizleistung 050 HZT_Verbrauchleistung = 5000W; LKT_Temperatur = 20°C; Simulation eine Sekunde Haus wärmt schneller auf Haus wärmt schneller auf i. O. Energiezufuhr (Heizleistung) kommt von HZT, sollte das nicht die Heizleistung von HZR sein?
005 Test auf Einheiten - - Check ohne Simulation SI-Einheiten kWh verwendet n. i. O. Im Block IstTemp rechnet ihr mit kWh statt mit Wh. Spielt keine Rolle, wenn der Gain entsprechend angepasst wird, wäre aber sauberer
006 Heizen im Winter 050 HZT_Verbrauchleistung = 10000W; Langzeitsimulation (10000s) Haus wärmt sich mit Heizleistung auf Innentemperatur des Hauses gleicht sich der Außentemperatur an n. i. O. -

Tabelle 10: Integrationstest

Systemtest

Nachdem die Komponenten und das Modul erfolgreich getestet und überarbeitet wurden, wurden für den Systemtest alle Teilsystem zu einem Gesamtsystem „Haus“ zusammengeführt. In dieser Phase wird das gesamte System auf seine Funktionsfähigkeit und Plausibilität überprüft und anschließend bewertet. Dafür wurden alle wichtigen Ausgabeparameter über einen „Scope“ in Matlab Simulink visualisiert. Die Testergebnisse werden in Tabelle 11 aufgeführt.

Testfall-ID Testfall-Name Anforderungs-ID Vorbedingungen und Eingänge Aktionen Erwartetes Ergebnis Ergebnis Bewertung Kommentar
001 Funktionstest des Systems - Parameter geladen. Simulation eines Jahres Simulation kompiliert und Modell wird simuliert Simulation kompiliert und Modell wird simuliert i. O. -
002 Funktionstest Heizungsregelung - Parameter geladen. Simulation eines Tages Output wird generiert Output wird generiert i. O. -
003 Funktionstest Solltemperatur - Parameter geladen. Simulation eines Tages Output wird generiert Output wird generiert i. O. -
004 Funktionstest Stromverbrauch - Parameter geladen. Simulation eines Tages Output wird generiert Output wird generiert i. O. -
005 Funktionstest Außentemperatur - Parameter geladen. Simulation eines Tages Output wird generiert Output wird generiert i. O. -
006 Funktionstest Stromkosten - Parameter geladen. Simulation eines Tages Output wird generiert Output wird generiert i. O. -
007 Funktionstest Wasserverbrauch - Parameter geladen. Simulation eines Tages Output wird generiert Output wird generiert i. O. -
008 Funktionstest Personen im Haus - Parameter geladen. Simulation eines Tages Output wird generiert Output wird generiert i. O. -
009 Funktionstest PV-Leistung - Parameter geladen. Simulation eines Tages Output wird generiert Output wird generiert i. O. -
010 Funktionstest Warmwasserleistung - Parameter geladen. Simulation eines Tages Output wird generiert Output wird generiert i. O. -
011 Funktionstest Warmwassertemperatur - Parameter geladen. Simulation eines Tages Output wird generiert Output wird generiert i. O. -
012 Funktionstest Netz - Parameter geladen. Simulation eines Tages Output wird generiert Output wird generiert i. O. -
013 Funktionstest Heizleistung - Parameter geladen. Simulation eines Tages Output wird generiert Output wird generiert i. O. -
014 Funktionstest Warmwasserheißleistung Wärmepumpe - Parameter geladen. Simulation eines Tages Output wird generiert Output wird generiert i. O. -
015 Funktionstest Warmwasserheißleistung - Parameter geladen. Simulation eines Tages Output wird generiert Output wird generiert i. O. -
016 Funktionstest verbrauchte Leistung - Parameter geladen. Simulation eines Tages Output wird generiert Output wird generiert i. O. -
017 Funktionstest Warmwasserspeicher verbrauchte Leistung - Parameter geladen. Simulation eines Tages Output wird generiert Output wird generiert i. O. -
018 Funktionstest Isttemperatur - Parameter geladen. Simulation eines Tages Output wird generiert Output wird generiert i. O. -
100 Überprüfung der Solltemperatur - Parameter geladen. Simulation eines Jahres Solltemperatur konstant bei Tag oder Nacht Wechselnde Temperatur n. i. O. Tagsüber sollte 20°C; Nachts 15°C
200 Überprüfung der PV-Leistung - Parameter geladen. Simulation eines Monats Wechselnde Einspeiseleistung; Nachts keine Erträge Wechselnde Einspeiseleistung; Nachts keine Erträge i. O. -
300 Überprüfung der Warmwassleistung - Parameter geladen. Simulation eines Monats Wechselnde Einspeiseleistung; Nachts keine Erträge Wechselnde Einspeiseleistung; Nachts keine Erträge i. O. -
400 Überprüfung der Warmwassertemperatur - Parameter geladen. Simulation eines Jahres Temperatur zwischen 0°C-80°C bis -11000°C n. i. O. -
500 Überprüfug der Stromkosten je nach Verbrauch - Parameter geladen. Simulation einer Woche Kosten sind plauibel je nach Stromverbrauch Stromkosten zu hoch bzw. zu niedrig n. i. O. HZT_Verbrauchteleistung flißt nicht mit ein
600 Szenario Frühling; Herbst Heiz-/Kühlvorgang - Parameter geladen. Simulation eines Jahres (Nur Abschnitt betrachtet) ISO_IstTemp passt sich plausibel der HZR_Solltemperatur an; HZR_Heizleistung heizt/kühlt bei Abweichung Temperaturen passen sich an und Regler regelt Leistzung passend i. O. Sprünge in Solltemperatur (soll Tagsüber 20°C und Nachts 15°C)
700 Szenario Winter ; Herbst Heiz-/Kühlvorgang - Parameter geladen. Simulation eines Jahres (Nur Abschnitt betrachtet) ISO_IstTemp passt sich plausibel der HZR_Solltemperatur an; HZR_Heizleistung heizt/kühlt bei Abweichung Temperaturen passen sich an und Regler regelt Leistzung passend i. O. Sprünge in Solltemperatur (soll Tagsüber 20°C und Nachts 15°C)
800 Szenario Sommer; Herbst Heiz-/Kühlvorgang - Parameter geladen. Simulation eines Jahres (Nur Abschnitt betrachtet) ISO_IstTemp passt sich plausibel der HZR_Solltemperatur an; HZR_Heizleistung heizt/kühlt bei Abweichung enorme Ausreißer bei hohen Temperaturen n. i. O. Sobald Außentemperatur oberhalb der Solltemperatur ist, Ergebnisse nicht mehr plausibel; Solltemperatur steigt (Offset LKT herausgenommen); Sprünge in Solltemperatur (soll Tagsüber 20°C und Nachts 15°C)
900 Überprüfung Ist-Temperatur zur Heizleistung - Parameter geladen. Simulation eines Jahres ISO_IstTemp verändert sich plausibel je nach zugegebener Leistung ISO_IstTemp verändert sich plausibel je nach zugegebener Leistung (inklusive Verzögerung der Wärmekapazität des Hauses) i. O. Problem der Testfälle 600-800 liegt nicht an der der Ist-Temperatur, sondern an der Solltemperatur

Tabelle 11: Systemtest

Ergebnisse des getesteten Systems

Nachdem das System getestet wurde, wurde dieses noch einmal leicht überarbeitet. Im Folgenden werden die Ergebnisse der finalen Version dargestellt. In Abbildung 14 wird der Verlauf der Soll-Temperatur, Ist-Temperatur, Außentemperatur und der zugeführten Heizleistung visualisiert. Erkennbar wird, dass die Ist-Temperatur, wie erwartet, sich der Soll-Temperatur anpasst. Zwischenzeitlich sinkt die Soll-Temperatur allerdings auf 11 °C fehlerhaft ab. Die PV Leistung verfolgt einen plausiblen Verlauf mit einem Peak tagsüber. In der Nacht fällt die PV-Leistung auf 0. Zum besseren Verständnis des Tag-Nachtzyklus wird die Außentemperatur in Abbildung 15 ebenfalls dargestellt. Ebenso liefert die Warmwasserleistung einen plausiblen Wert über den Tagesverlauf (siehe Abbildung 16). Wie in Abbildung 17 zu erkennen, liegt die Warmwassertemperatur konstant bei 130 °C. Die Abbildung 18 zeigt, dass die Anzahl der Bewohner im Verlauf eines Tages plausibel variiert. Ebenso werden Urlaubszeiträume in der Simulation mitbrachtet. Der Stromverbrauch in der Simulation steigt kontinuierlich an. Dieses Verhalten ist unabhängig und damit fehlerhaft von der Anzahl der Bewohner im Haus. Nur in den Urlaubszeiträumen (siehe Abbildung 19) steigt der Stromverbrauch nicht.


  • Abbildung 14: Überprüfen der Temperaturen und Heizleistung

    Abbildung 14: Überprüfen der Temperaturen und Heizleistung

  • Abbildung 15: Überprüfung PV-Leistung

    Abbildung 15: Überprüfung PV-Leistung

  • Abbildung 16: Überprüfung Warmwasserleistung

    Abbildung 16: Überprüfung Warmwasserleistung

  • Abbildung 17: Überprüfen Warmwassertemperatur

    Abbildung 17: Überprüfen Warmwassertemperatur

  • Abbildung 18: Überprüfung Anzahl Bewohner

    Abbildung 18: Überprüfung Anzahl Bewohner

  • Abbildung 19: Überprüfung Abhängigkeit Anzahl Bewohner und Stromverbrauch

    Abbildung 19: Überprüfung Abhängigkeit Anzahl Bewohner und Stromverbrauch


Fazit

Im Rahmen des Studiengangs Business and Systems Engineering wurde im Sommersemester 2023 im Fach Systems Design Engineering das Thema der Simulation des Energiehaushalts eines Hauses behandelt. Der Fokus lag auf der Anwendung des V-Modells, einem bewährten Modell zur Entwicklung technischer Systeme. Der vorliegende Artikel beschreibt die Herangehensweise der Gruppe "ISO - Isoliereigenschaften des Hauses" bei der Bestimmung des Wärmeverlusts, der Wärmekapazität und der Innentemperatur des Hauses. Zudem werden die Herausforderungen, Tests und Erkenntnisse während des Entwicklungsprozesses erläutert, um einen praxisnahen Einblick in die Anwendung des erlernten Wissens zu geben.

Die Seminaraufgabe bestand darin, das V-Modell auf ein Haus als System anzuwenden und das Gesamtsystem in verschiedene Teilsysteme aufzuteilen. Der Entwicklungsprozess umfasste die Anforderungsdefinition, den technischen Systementwurf, die Komponentenspezifikation, die Programmierung/Modellierung mit Matlab/Simulink, sowie den Komponenten- und Integrationstest. Durch die schrittweise Testung der Komponenten und das Zusammenführen zu einem Gesamtsystem wurde ein Softwareentwicklungsprozess durchlaufen, um Fehler zu vermeiden und eine funktionierende Lösung zu gewährleisten.

Die Ergebnisse des getesteten Systems wurden präsentiert und analysiert. Dabei wurde festgestellt, dass die Ist-Temperatur des Hauses der Soll-Temperatur folgt, jedoch zwischenzeitlich einen fehlerhaften Abfall aufweist. Die PV-Leistung und die Warmwasserleistung zeigten einen plausiblen Verlauf über den Tagesverlauf, während die Warmwassertemperatur konstant bei 130 °C lag. Die Anzahl der Bewohner variierte realistisch im Verlauf eines Tages, wobei auch Urlaubszeiträume in der Simulation berücksichtigt wurden.

Insgesamt liefert der Artikel einen Einblick in die Anwendung des V-Modells auf den Energiehaushalt eines Hauses. Die Beschreibung der einzelnen Entwicklungsphasen, der durchgeführten Tests und der erreichten Ergebnisse vermittelt das Verständnis für eine praxisorientierte Herangehensweise an die Entwicklung technischer Systeme. Es wurde insgesamt ein funktionierendes Gesamtsystem entwickelt und meist plausible Simulationsergebnisse erreicht, wodurch es möglich ist den Energiehaushalt eines Hauses zu simulieren. Durch die Identifizierung von Fehlern und die Analyse der Testergebnisse konnten wertvolle Erkenntnisse gewonnen werden, um das System weiter zu verbessern und energieeffizientere Lösungen zu entwickeln.

Literaturverzeichnis

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

  1. ↑ https://www.herold.at/blog/passivhaus-was-bringt-es-vorteile/
  2. ↑ https://asana.com/de/resources/v-model#
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