Energiehaushalt eines Hauses: Lastkollektive LKT: Unterschied zwischen den Versionen
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=== Eigenschaften des Hauses === | === Eigenschaften des Hauses === | ||
{| 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''' | |||
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| LKT_Eigenschaften_des_Hauses||Alle relevanten Eigenschaften des Hauses||- | |||
=== Daten === | === Daten === | ||
Version vom 6. Juli 2023, 14:25 Uhr
Autoren: Marvin Stute; David Schartner
Betreuer: Prof. Dr.-Ing. M. Göbel
→ zum Hauptartikel: Systems Design Engineering - Seminaraufgabe SoSe 2023: Energiehaushalt eines Hauses
Einleitung
Im Studiengang Business and Systems Engineering wird von den Studierenden in der Lehrveranstaltung Systems Design Engineering ein technisches System anhand des V-Modells entwickelt. Im Sommersemester 2023 wurde der Energiehaushalt eines Hauses simuliert, indem das Gesamtsystem in einzelne Module aufgeteilt und in Gruppen realisiert wurde. Dieser Artikel stellt die Lastkollektive (LKT) vor.
Zielsetzung der Seminaraufgabe
Ziel dieses Seminars ist es, das V-Modell auf das Projekt der Simulation des Energiehaushaltes eines Hauses anzuwenden. In kleinen Gruppen werden einzelne wichtige Teilmodule erarbeitet und dem kompletten Entwicklungsprozess unterzogen, vom Entwurf über die Implementierung bis hin zur Validierung. Nach dem Test der Teilmodule der einzelnen Gruppen werden diese in ein Gesamtsystem integriert und einem Systemtest unterzogen. Dieses Gesamtsystem stellt das Projektergebnis dar und ermöglicht die Simulation des Energiehaushaltes eines Hauses.
V-Modell
Das V-Modell ist ein Projektmanagementansatz, der den Ablauf eines Projekts in verschiedene Phasen unterteilt und einen parallelen Testprozess umfasst. Das Modell bildet die Form eines "V" ab, wobei auf der linken Seite die Anforderungen, von groben Systemanforderungen bis hin zur spezifischen Architektur und den Komponenten, beschrieben werden. Parallel dazu werden auf der rechten Seite Tests wie der Systemtest, Integrationstest und Komponententest durchgeführt, um die Validierung sicherzustellen. An der Spitze des "V" erfolgt die Implementierung des Systems.[2]
Abbildung 2 zeigt das V-Modell des Seminars. Es gibt eine Unterteilung in folgende Schritte und den dazugehörigen Arbeitsergebnissen:
1. Anforderungsdefinition → Lastenheft 2. Funktionaler Systementwurf → Funktionaler Systemplan 3. Technischer Systementwurf → Technischer Systemplan 4. Komponentenentwurf → Komponentenspezifikation 5. Programmierung/Modellierung → Matlab-Parameterdatei/Simulinkmodell 6. Komponententest → Testbericht 7. Integrationstest (Modultest) → Testbericht 8. Systemtest → Testbericht 9. Abnahme → Finale Abgabe des Modells/Artikel im Wiki
Anforderungsdefinition: Lastenheft
Im ersten Schritt des V-Modells, der Anforderungsdefinition, wird ein Lastenheft genutzt, was als Kommunikationsmittel zwischen Auftraggeber und Auftragnehmer dient und die Grundlage zur Projektumsetzung darstellt. Das Teilprojekt Lastkollektive setzt sich zusammen aus den Kapiteln Rahmenbedingungen, Schnittstellen, Standort/Umgebung, Grundriss, Verbrauch, Szenarien und Dokumentation. Diese müssen berücksichtigt werden, um eine grundsätzliche Basis zu bilden, von der aus Schnittstellen in die anderen Teilprojekte geschlossen werden können. Die Lastkollektive definieren die Eigenschaften des Hauses und die Szenarien im Hinblick auf die Bewohner des Hauses.
| ID | "Typ (I = Info, A = Anforderung, E = Einleitung)" | Kapitel | Inhalt | Ersteller | Datum | Durchsicht von | am | Status Auftraggeber | Kommentar Auftraggeber | Status Auftragnehmer | Kommentar Auftragnehmer |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 001 | I | 1 | Rahmenbedingungen | David S. & Marvin S. | 4/14/23 | ||||||
| 002 | A | Matlab 2022a nutzen | David S. & Marvin S. | 4/14/23 | was für Daten (Beispiele!) | Akzeptiert | |||||
| 003 | A | Die ermittelten Wetter- / Stromdaten müssen variabel und realistisch sein | David S. & Marvin S. | 4/14/23 | |||||||
| 006 | Für Automatisierungen sollte minimaler Nuzerinput notwendig sein | David S. & Marvin S. | 4/14/23 | ||||||||
| 007 | I | 2 | Schnittstellen | David S. & Marvin S. | 4/14/23 | ||||||
| 008 | A | "Bestimmung Wettertdaten & Kommunikation in ""Echtzeit""" | David S. & Marvin S. | 4/14/23 | Sie geben das Wetter vor (über Parameter)! | Akzeptiert mit Einschr. | In Realität werden die Daten vorgegeben, sie werden aber in der Simulation als Messdaten gehandhabt | ||||
| 009 | A | Kommuniaktion externer Energiebedarf | David S. & Marvin S. | 4/14/23 | |||||||
| 010 | A | Muss mit Energieerzeugern Echtzeit-kommunizieren | David S. & Marvin S. | 4/14/23 | |||||||
| Weiterführende Sensordatenkommunikation wo notwendig | David S. & Marvin S. | 4/14/23 | |||||||||
| 011 | I | 3 | Standort / Umgebung | David S. & Marvin S. | |||||||
| 012 | A | "Ermittlung Wetterdaten - Temperatur für das ganze Jahr ""in Echtzeit""" | David S. & Marvin S. | 4/14/23 | |||||||
| 013 | A | Strompreis | David S. & Marvin S. | 4/14/23 | |||||||
| 014 | I | 4 | Grundriss | David S. & Marvin S. | 4/14/23 | ||||||
| Grundfläche quadratisch & Flachdach | |||||||||||
| 015 | A | Definiton Gegebenheiten Haus: Grundfläche (100m²) / Deckenhöhe (2.5m) / Etagen (2) /Fensterfläche von der gesamten Wandfläche (25%) | David S. & Marvin S. | 4/14/23 | Bitte mit Gruppe ISO abstimmen | offen | |||||
| Was ist das? Skizze des Hauses? | Genau, Größe relevant bspw. für Isolierung / Heizung | ||||||||||
| 022 | I | 5 | Verbrauch | David S. & Marvin S. | 4/14/23 | ||||||
| 027 | A | Stromversorgung: Projektion Verbrauch & Kosten | David S. & Marvin S. | 4/23/23 | |||||||
| Wasserverbrauch des Haushaltes | David S. & Marvin S. | 4/23/23 | |||||||||
| 028 | I | 6 | Szenarien | David S. & Marvin S. | 4/14/23 | "und Szenarien wie ""Urlaub"", ""Heimarbeit"", ""tagsüber außer Haus""" | Akzeptiert | Kapitel Szenarien hinzugefügt | |||
| 029 | I | 1. 4P Hauhalt: 2 Erwachsene/2 Kinder | David S. & Marvin S. | 4/14/23 | |||||||
| 030 | I | 2. 2P Hauhalt: 2 Erwachsene | David S. & Marvin S. | 4/14/23 | |||||||
| 033 | I | Werktag/Urlaubstag/Wochenendtag | David S. & Marvin S. | 4/22/23 | |||||||
| 034 | I | 7 | Dokumentation | David S. & Marvin S. | 4/14/23 | ||||||
| 035 | A | Erstellung des Wiki-Artikels | David S. & Marvin S. | 4/14/23 | |||||||
| 036 | A | Schrittweise beschreibung der Modellierung | David S. & Marvin S. | 4/14/23 | |||||||
| 037 | A | Beschreibung der Programmierung inkl. Funktionsweise | David S. & Marvin S. | 4/14/23 |
Funktionaler Systementwurf
Der funktionale Systementwurf war im Sommersemester 2023 kein Bestandteil der Gruppenaufgabe und wurde von Prof. Dr. Göbel bereitgestellt, welcher in Abbildung 3 dargestellt wird.
Technischer Systementwurf
Im technischen Systementwurf werden die Schnittstellen festgelegt und die Komponenten definiert. Es stellt die Vorbereitung zur Komponentenspezifikation dar. Das Teilmodul Lastkollektive besitzt vier Komponenten, wie das Simulink-Modell in Abbildung 4 zeigt:
- Eigenschaften des Hauses
- Daten
- Szenarioermittlung
- Datum und Tageszeit
Die Komponente "Eigenschaften des Hauses" gibt über Parameter beispielsweise die Deckenhöhe oder die Grundfläche an. Bei der Komponente "Daten" wird mit Hilfe der Simulationszeit sowohl die Temperatur angegeben, als auch der Stromverbrauch und der Wasserverbrauch berechnet. Außerdem werden mit Hilfe der Eingänge "EEZ_PVLeistungAC" des Teilbereiches Energieerzeugung und "ESP_Verbrauch" des Teilbereiches Energiespeicher die Stromkosten berechnet. Die "Szenarioermittlung" berechnet, wie viele Personen zu einem simulierten Zeitpunkt zu Hause sind und die Komponente "Datum und Uhrzeit" gibt die exakte Uhrzeit und das Datum der Simulationszeit an.
Komponentenspezifikation
Die Komponentenspezifikation beschreibt detailliert die einzelnen Komponenten des Teilprojektes, alle Ein- und Ausgänge sowie alle Parameter, die verwendet werden. Außerdem werden die Spezifikationen der Komponenten in einer Tabelle festgehalten, anhand welcher die Implementierung erfolgen soll.
Durch [Ausklappen] der einzelnen Komponenten werden die detaillierten Beschreibungen tabellarisch dargestellt.
Eigenschaften des Hauses
| Ausgänge | Beschreibung | Einheit | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| LKT_Eigenschaften_des_Hauses | Alle relevanten Eigenschaften des Hauses | -
DatenSzenarioermittlungDatum und TageszeitProgrammierung / ModellierungIn der Programmierung werden die Komponenten den zuvor festgelegten Spezifikationen entsprechend umgesetzt. Die Programmierung erfolgte auf Basis des im technischen Systementwurf entworfenen Simulink Modells. Neben dem Simulink Modell wurde außerdem eine Matlab-Datei mit Parametern entworfen. Diese wird beim Start des Programms aufgerufen, sodass die Parameter im Workspace gespeichert sind. %****************************************************************
% Hochschule Hamm-Lippstadt *
%****************************************************************
% Modul : parameter_LKT.m *
% *
% Datum : 22.05.2023 *
% *
% Funktion : Speichern der Parameter für die Last- *
% kollektive des Haus-Modells im Workspace *
% *
% Implementation : MATLAB 2022a *
% *
% Req. Toolbox : - *
% *
% Req. Dateien : Temperaturdaten.mat *
% *
% Author : David Schartner; Marvin Stute *
% *
% Bemerkung : *
% *
% Letzte Änderung : 04.06.2023 *
% *
%***************************************************************/
load('Temperaturdaten.mat')
PAR_LKT_Grundflaeche = 100; %in m^2
PAR_LKT_Deckenhoehe = 2.5; % in m
PAR_LKT_Etagen = 2; % in Etagenanzahl
PAR_LKT_Fensterflaeche = 25; % in Prozent
PAR_LKT_Strompreis = 0.3606; % in €/kWh
PAR_LKT_WasserverbrauchProPerson = 0.1230; % in m^3 für eine Person
PAR_LKT_StromverbrauchProPerson = 6.8; % in kWh für eine Person
PAR_LKT_zweiErwachsene = 2; % Anzahl Personen
PAR_LKT_zweiKinder = 2; % Anzahl Personen
PAR_LKT_Wochenendtag = 1;
PAR_LKT_Urlaubstag = 0;
Im Folgenden sind die einzelnen Komponenten dargestellt: Eigenschaften des HausesDie nachfolgende Abbildung zeigt die Modellierung der Komponente "Eigenschaften des Hauses". Diese ist in einem Simulink-Subsystem implementiert. Die Parameter werden direkt aus der Parameter-Datei ausgelesen und mit einem Bus Creator auf einem Bus gespeichert. 
DatenDie nachfolgende Abbildung zeigt die Modellierung der Komponente "Daten". Diese ist in einem Simulink-Subsystem implementiert. Die aktuelle Temperatur wird aus einem Lookup-Table ausgelesen. Dafür werden die Sekunden der Simulationszeit in Stunden bzw. Tage umgewandelt. Der Wasser- & Stromverbrauch wird auf Basis der Anzahl der Bewohner im Haus berechnet. Außerdem werden die Stromkosten über die Solarstromerzeugung und dem aktuellen Stromverbrauch bestimmt. Die vier Ausgänge gehen dann direkt aus dem Submodul heraus. 
Code für die Funktion, die Strom-& Wasserverbrauch für die Urlaubstage reduziert: function TageZuhause = fcn(aktuellerTag)
% Die Funktion zieht die Tage von dem Tageszähler ab, an denen die Familie
% außer Haus ist über den Sommer- bzw. Winterurlaub
persistent TageAusserHausSommer TageAusserHausWinter ersterDurchlauf Sommerurlaub Winterurlaub
if isempty(ersterDurchlauf)
Sommerurlaub = [213 227];
Winterurlaub = [358 365];
TageAusserHausSommer = 0; % initialisiert den Zähler für Tage die Sie nicht zuhause sind
TageAusserHausWinter = 0;
ersterDurchlauf = 1;
end
if aktuellerTag>=Sommerurlaub(1) && aktuellerTag <= Sommerurlaub(2)
TageAusserHausSommer = aktuellerTag - Sommerurlaub(1);
end
if aktuellerTag>=Winterurlaub(1) && aktuellerTag <= Winterurlaub(2)
TageAusserHausWinter = aktuellerTag - Winterurlaub(1);
end
TageZuhause = aktuellerTag - TageAusserHausSommer - TageAusserHausWinter;
SzenarioermittlungDie nachfolgende Abbildung zeigt die Modellierung der Komponente "Szenarioermittlung". Diese ist in einem Simulink-Subsystem implementiert. Die aktuelle Simulationszeit wird in den aktuellen Tag und die aktuelle Stunde aufgeteilt. Auf Basis der Stunde wird die aktuelle Zahl der Bewohner im Haus für jedes Szenario bestimmt. Auf Basis des aktuellen Tags wird das Szenario festgelegt. Anschließend wird die Anzahl der Personen im Haus ausgegeben. 
Code für die Funktion die das aktuelle Szenario festlegt: function LKT_PersonenZuhause = fcn(WochentagP, WochenendTagP, UrlaubstagP, aktuellerTag)
LKT_PersonenZuhause = 0; % Initialisiert die Ausgangsvariable
Sommerurlaub = [213 227]; % Tage in denen die Familie im Sommerurlaub ist
Winterurlaub = [358 365]; % Tage in denen die Faimilie im Winterurlaub ist
if aktuellerTag>=Sommerurlaub(1) && aktuellerTag <= Sommerurlaub(2) || aktuellerTag>=Winterurlaub(1) && aktuellerTag <= Winterurlaub(2)
% Überprüft ob sich die Personen im Urlaub befinden und wählt falls es
% der Fall ist das passende Szenario aus
LKT_PersonenZuhause = UrlaubstagP;
return
end
day = mod(aktuellerTag, 7); % Der Rest aus der Division mit 7 gibt an, welcher Wochentag aktuell ist (Zahl zwischen 0 - 6)
if day == 5 || day == 6 % Die Tage 5 & 6 sind Samstag und Sonntag, also Wochenende
weekend = true;
else
weekend = false;
end
% Überprüft ob Wochenende ist und wählt das passende Szenario aus
if weekend == false
LKT_PersonenZuhause = WochentagP;
return
elseif weekend == true
LKT_PersonenZuhause = WochenendTagP;
return
end
Code für die PAR_LKT_Werktag Funktion. function y = fcn(u)
if u >= 0 && u < 8
y = 1;
elseif u >= 8 && u < 14
y = 0;
elseif u >= 14 && u < 18
y = 0.75;
else
y = 1;
end
Datum und TageszeitDie nachfolgende Abbildung zeigt die Modellierung der Komponente "Daten und Tageszeit". Diese ist in einem Simulink-Subsystem implementiert. Sie gibt über den "Clock"-Block die Simulationszeit der gesamten Simulationszeit in Sekunden an. 
KomponententestDer Komponententest der Gruppe "Lastkollektive LKT" wurde durch die Gruppe Isoliereigenschaften des Hauses ISO (Nico Kasprik und Jonas Loddenkemper) durchgeführt. Er umfasst den Test der Einzelnen Komponenten voneinander getrennt um die für sich stehende Funktionalität sicherzustellen. Nachfolgend die Dokumentation dieser Tests: Eigenschaften des Hauses
Daten
  
Szenarioermittlung
Datum und Tageszeit
IntegrationstestDer Integrationstest der Gruppe "Lastkollektive LKT" wurde durch die Gruppe Isoliereigenschaften des Hauses ISO (Nico Kasprik und Jonas Loddenkemper) durchgeführt. Er umfasst den Test der einzelnen Komponenten als Verbund in dem Model "LKT - Lastkollektive". So soll sichergestellt werden, dass sich aufeinander beziehende Komponenten im Verbund funktionieren und einen sinnvollen Output liefern. Nachfolgend die Dokumentation dieser Tests:
SystemtestDer Systemtest ist der letzte Schritt in der Testphase des V-Modells. Hier werden alle Komponenten und Submodule zu einem System integriert und dann im Verbund getestet. Dies stellt das erste Mal dar, dass das System als ein Ganzes getestet wird. Um zu überprüfen ob die Outputs Sinn ergeben, muss daher eine Vielzahl einzelner Signale überprüft werden. Dazu wurde der Bus mit allen Outputs des Systems in drei Kategorien aufgeteilt: Temperaturen, Leistung und Verschiedene. In dem Temperaturen-Bus finden sich die Signale: ISO.ISO_temp; LKT.LKT_Temperatur; EXP.ESP_Warmwassertemperatur; HZR.HZR_Solltemperatur. In dem Leistung-Bus finden sich die Signale: HZT.HZT_VerbrauchteLeistung; HZR.HZR_Warmwasserheizleistung_Waermepumpe; HZR.HZR_Warmwasserheizleistung; HZR.HZR_Heizleistung; HZT.HZT_Warmwasserspeicher_verbrauchte_Leistung; EEZ.EEZ_PVLeistungAC; ESP.ESP_Warmwassertemperatur. In dem Verschiedene-Bus finden sich nur die Signale LKT.LKT_Stromverbrauch sowie LKT.LKT_Wasserverbrauch. 
Mithilfe dieser Signale wurde das System durch die Gruppe LKT getestet. Im Anschluss die Dokumentation der Ergebnisse dieses Systemtests:
FazitDas Ziel der Seminaraufgabe im Sommersemester 2023 war die Simulation des Energiehaushalts eines Hauses. Zu Beginn des Semesters wurde hierzu eine Vorgehensweise nach dem V-Modell ausgewählt. In dem V-Modell werden zu Beginn in dem Lastenheft, dem Systementwurf sowie der Komponentenspezifikation die Anforderungen an das Endprodukt beschrieben, welche Schritt für Schritt an Detail gewinnen. In der Programmierungsphase werden die beschriebenen Anforderungen dann umgesetzt. Dies geschah hier mit MATLAB Simulink. In den anschließenden Testphasen wird das Produkt sodass es im letzten Schritt abgenommen werden kann. Um eine vollständige Funktionalität nach den Tests sicherzustellen wurde zunächst ein Komponententest, dann ein Integrationstest und zuletzt ein Systemtest durchgeführt. So kann das Produkt zunehmend näher an seinem finalen Zustand getestet werden. Da die Modellierung des Energiehaushalts eines Hauses sehr umfangreich ist, wurden sechs Gruppen gebildet (Lastkollektive, Energieerzeugung, Energiespeicher, Heizungsreglung, Heizung-& Klimatechnik & Isoliereigenschaften des Hauses). Jede Gruppe modellierte ihr jeweiliges Teilgebiet und testete anschließend die Ergebnisse einer anderen Gruppe. Die Gruppe LKT wurde beispielsweise durch die Gruppe ISO getestet. So konnten Kommunikationsfehler oder Unstimmigkeiten verbessert und gelöst werden. Durch den Kurs konnte anhand eines praxisnahen Beispiels die Projektabwicklung nach dem V-Modell geübt werden. So wurde das gesamte V-Modell mit allen Schritten einmal durchlaufen. Schlussendlich konnte das gesamte Haus mit allen Submodulen integriert werden und bildete ein lauffähiges Projekt. Die Ergebnisse sind trotz einiger Unregelmäßigkeiten größtenteils sinnvoll und können somit genutzt werden, um den Energieverbrauch sowie die Effizienz eines Hauses mit Wärmepumpe, Solaranlage und Batteriespeicher zu simulieren. Literaturverzeichnis→ zum Hauptartikel: Systems Design Engineering - Seminaraufgabe SoSe 2023: Energiehaushalt eines Hauses |
- ↑ https://www.herold.at/blog/passivhaus-was-bringt-es-vorteile/
- ↑ https://asana.com/de/resources/v-model
- ↑ Erstellt von Prof. Dr. Ing. Mirek Göbel
- ↑ Erstellt von Prof. Dr. Ing. Mirek Göbel