Energiehaushalt eines Hauses: Isoliereigenschaften des Hauses ISO: Unterschied zwischen den Versionen
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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 Sommer 2023.jpg|500px|thumb|zentriert|Absatz|Abbildung | [[Datei:V-Modell Sommer 2023.jpg|500px|thumb|zentriert|Absatz|Abbildung 2: V-Modell ]] | ||
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* IstTemp | * 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. | 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]] | [[Datei:Technischer Systementwurf in Simulink.png|700px|thumb|zentriert|Absatz|Abbildung 4: Technischer Systementwurf]] | ||
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| PAR_LKT_Fensterflaeche || Prozentanteil der Fensterfläche von der Gesamtfläche der Wand || [%] | | PAR_LKT_Fensterflaeche || Prozentanteil der Fensterfläche von der Gesamtfläche der Wand || [%] | ||
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''Tabelle 2.1: Eingänge Flächenberechnung'' | |||
'''Ausgänge''' | '''Ausgänge''' | ||
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| ISO_FlaecheFenster||Fläche der Wände || [m²] | | ISO_FlaecheFenster||Fläche der Wände || [m²] | ||
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''Tabelle 2.2: Ausgänge Flächenberechnung'' | |||
'''Parameter''' | '''Parameter''' | ||
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| - || - || - | | - || - || - | ||
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''Tabelle 2.3: Parameter Flächenberechnung'' | |||
'''Spezifikationen''' | '''Spezifikationen''' | ||
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| 112 || || Berechnung der Fensterfläche aus LKT-Daten || Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik || 05.05.2023 | | 112 || || Berechnung der Fensterfläche aus LKT-Daten || Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik || 05.05.2023 | ||
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''Tabelle 2.4: Spezifikationen Flächenberechnung'' | |||
</div> | </div> | ||
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| LKT_Grundflaeche || Grundfläche des Hauses || [m²] | | LKT_Grundflaeche || Grundfläche des Hauses || [m²] | ||
|} | |} | ||
''Tabelle 3.1: Eingänge Wärmeverlust'' | |||
'''Ausgänge''' | '''Ausgänge''' | ||
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''Tabelle 3.2: Ausgänge Wärmeverlust'' | |||
'''Parameter''' | '''Parameter''' | ||
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| PAR_ISO_FensterUWert || U-Wert der Fenster || [W/(m²K)] || 0,5 | | PAR_ISO_FensterUWert || U-Wert der Fenster || [W/(m²K)] || 0,5 | ||
|} | |} | ||
''Tabelle 3.3: Parameter Wärmeverlust'' | |||
'''Spezifikationen''' | '''Spezifikationen''' | ||
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''Tabelle 3.4: Spezifikationen Wärmeverlust'' | |||
</div> | </div> | ||
=== Warmekapazitaet === | === Warmekapazitaet === | ||
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| ISO_FlaecheFenster || Fensterfläche des Hauses || [m²] | | ISO_FlaecheFenster || Fensterfläche des Hauses || [m²] | ||
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''Tabelle 4.1: Eingänge Wärmekapazität'' | |||
'''Ausgänge''' | '''Ausgänge''' | ||
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| ISO_Waermekapazitaet || Wärmekapazität des Hauses || [J/K] | | ISO_Waermekapazitaet || Wärmekapazität des Hauses || [J/K] | ||
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''Tabelle 4.2: Ausgänge Wärmekapazität'' | |||
'''Parameter''' | '''Parameter''' | ||
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| PAR_ISO_WarmekapazitaetFenster || Wärmekapazität der Fenster || [kJ/(m²*K)] || 21,6 | | PAR_ISO_WarmekapazitaetFenster || Wärmekapazität der Fenster || [kJ/(m²*K)] || 21,6 | ||
|} | |} | ||
''Tabelle 4.3: Parameter Wärmekapazität'' | |||
'''Spezifikationen''' | '''Spezifikationen''' | ||
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| 322 || || Gesamtwärmekapazitäten werden summiert und anschließend mit 1000 multipliziert umd [J/K] 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 | ||
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''Tabelle 4.4: Spezifikationen Wärmekapazität'' | |||
</div> | </div> | ||
=== IstTemp === | === IstTemp === | ||
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| ISO_Waermeverlust || Durch die Wände verlorene/gewonnene Energie || [W] | | ISO_Waermeverlust || Durch die Wände verlorene/gewonnene Energie || [W] | ||
|} | |} | ||
''Tabelle 5.1: Eingänge IstTemp'' | |||
'''Ausgänge''' | '''Ausgänge''' | ||
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| ISO_IstTemp || Aktuelle Innenraumtemperatur des Hauses || [°C] | | ISO_IstTemp || Aktuelle Innenraumtemperatur des Hauses || [°C] | ||
|} | |} | ||
''Tabelle 5.2: Ausgänge IstTemp'' | |||
'''Parameter''' | '''Parameter''' | ||
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|- | |- | ||
| - || - || - || - | | - || - || - || - | ||
|} | |} | ||
''Tabelle 5.3: Spezifikationen IstTemp'' | |||
'''Spezifikationen''' | '''Spezifikationen''' | ||
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| 413 || || Durch Gewichtung der Wärmeenergie und anschließender Integration wird die Ist-Temperatur ermittelt || 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> | </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 ''(siehe Abbildung | 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 | [[Datei:Flaechenberechnung.png|250px|thumb|right|Absatz|Abbildung 9: Komponente Flächenberechnung]] | ||
'''Eingänge und Parameter''' | '''Eingänge und Parameter''' | ||
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</div> | </div> | ||
''Tabelle | ''Tabelle 6: Flächenberechnung'' | ||
=== Wärmeverlust === | === Wärmeverlust === | ||
[[Datei:Waermeverlust.png|250px|thumb|right|Absatz|Abbildung | [[Datei:Waermeverlust.png|250px|thumb|right|Absatz|Abbildung 10: Komponente Wärmeverlust]] | ||
'''Eingänge und Parameter''' | '''Eingänge und Parameter''' | ||
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</div> | </div> | ||
''Tabelle | ''Tabelle 7: Wärmeverlust'' | ||
=== Wärmekapazität === | === Wärmekapazität === | ||
[[Datei:Waermekapazitaet.png|250px|thumb|right|Absatz|Abbildung | [[Datei:Waermekapazitaet.png|250px|thumb|right|Absatz|Abbildung 11: Komponente Wärmekapazität]] | ||
'''Eingänge und Parameter''' | '''Eingänge und Parameter''' | ||
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</div> | </div> | ||
''Tabelle | ''Tabelle 8: Wärmekapazität'' | ||
=== Ist-Temperatur === | === Ist-Temperatur === | ||
[[Datei:IstTemp-Ermittlung.png|250px|thumb|right|Absatz|Abbildung | [[Datei:IstTemp-Ermittlung.png|250px|thumb|right|Absatz|Abbildung 12: Komponente Ist-Temperatur]] | ||
'''Eingänge und Parameter''' | '''Eingänge und Parameter''' | ||
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</div> | </div> | ||
''Tabelle | ''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 ''(siehe Abbildung | 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 | [[Datei:ISO IsoliereigenschaftenHaus.png|700px|thumb|zentriert|Absatz|Abbildung 13: Modul ISO]] | ||
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</div> | </div> | ||
''Tabelle | ''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 | 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. | ||
{| class="wikitable mw-collapsible mw-collapsed" | {| class="wikitable mw-collapsible mw-collapsed" | ||
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</div> | </div> | ||
''Tabelle | ''Tabelle 11: Systemtest'' | ||
=== Ergebnisse des getesteten Systems === | === 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 | 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. | ||
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Datei:Soll-Ist-Aussen-Leistung.png| Abbildung | Datei:Soll-Ist-Aussen-Leistung.png| Abbildung 14: Überprüfen der Temperaturen und Heizleistung | ||
Datei:PV-Leistung.png| Abbildung | Datei:PV-Leistung.png| Abbildung 15: Überprüfung PV-Leistung | ||
Datei:WW-Leistung.png| Abbildung | Datei:WW-Leistung.png| Abbildung 16: Überprüfung Warmwasserleistung | ||
Datei:WW-Temp.png| Abbildung | Datei:WW-Temp.png| Abbildung 17: Überprüfen Warmwassertemperatur | ||
Datei:Personenzuhause.png| Abbildung | Datei:Personenzuhause.png| Abbildung 18: Überprüfung Anzahl Bewohner | ||
Datei:Stromverbrauch.png|Abbildung | Datei:Stromverbrauch.png|Abbildung 19: Überprüfung Abhängigkeit Anzahl Bewohner und Stromverbrauch | ||
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Aktuelle Version vom 13. Juli 2023, 12:11 Uhr
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.
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 | AusklappenKommentar Auftragnehmer |
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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.
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.
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.
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.
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.
IstTemp
Mittels der vorliegenden Daten wird in der Komponente "IstTemp" schließlich die gegenwärtige Innenraumtemperatur ermittelt.
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.
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.
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].
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.
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
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 | AusklappenKommentar |
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Tabelle 6: Flächenberechnung
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 | AusklappenKommentar |
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Tabelle 7: Wärmeverlust
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 | AusklappenKommentar |
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Tabelle 8: Wärmekapazität
Ist-Temperatur
Eingänge und Parameter
- ISO_Waermekapazitaet =
Ausgänge
- ISO_IstTemp []
Testfall-ID | Testfall-Name | Anforderungs-ID | Vorbedingungen und Eingänge | Aktionen | Erwartetes Ergebnis | Ergebnis | Bewertung | AusklappenKommentar |
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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.
Testfall-ID | Testfall-Name | Anforderungs-ID | Vorbedingungen und Eingänge | Aktionen | Erwartetes Ergebnis | Ergebnis | Bewertung | AusklappenKommentar |
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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 | AusklappenKommentar |
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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.
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Abbildung 14: Überprüfen der Temperaturen und Heizleistung
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Abbildung 15: Überprüfung PV-Leistung
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Abbildung 16: Überprüfung Warmwasserleistung
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Abbildung 17: Überprüfen Warmwassertemperatur
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Abbildung 18: Überprüfung Anzahl Bewohner
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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