Energiehaushalt eines Hauses: Isoliereigenschaften des Hauses ISO

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

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

V-Modell

Abbildung. 2: V-Modell

Anforderungsdefinition: Lastenheft

ID	"Typ (I = Info, A = Anforderung, E = Einleitung)"	Kapitel	Inhalt	Ersteller	Datum	Durchsicht von	am	Status Auftraggeber	Kommentar Auftraggeber	Status Auftragnehmer	AusklappenKommentar 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

Funktionaler Systementwurf

Der funktionale Systementwurf war im Sommersemester 2023 kein Bestandteil der Gruppenaufgabe und wurde von Prof. Dr. Göbel bereitgestellt.

Komponententest

Flächenberechnung

Testfall-ID	Testfall-Name	Anforderungs-ID	Vorbedingungen und Eingänge	Aktionen	Erwartetes Ergebnis	Ergebnis	Bewertung	AusklappenKommentar
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.

Wärmeverlust

Testfall-ID	Testfall-Name	Anforderungs-ID	Vorbedingungen und Eingänge	Aktionen	Erwartetes Ergebnis	Ergebnis	Bewertung	AusklappenKommentar
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	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.

Wärmekapazität

Testfall-ID	Testfall-Name	Anforderungs-ID	Vorbedingungen und Eingänge	Aktionen	Erwartetes Ergebnis	Ergebnis	Bewertung	AusklappenKommentar
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

Ist-Temperatur

Testfall-ID	Testfall-Name	Anforderungs-ID	Vorbedingungen und Eingänge	Aktionen	Erwartetes Ergebnis	Ergebnis	Bewertung	AusklappenKommentar
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.

Integrationstest

Testfall-ID	Testfall-Name	Anforderungs-ID	Vorbedingungen und Eingänge	Aktionen	Erwartetes Ergebnis	Ergebnis	Bewertung	AusklappenKommentar
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.	-

Literaturverzeichnis

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