Energiehaushalt eines Hauses: Energiespeicher ESP

Abbildung 1: Symbolbild der Seminaraufgabe

Autoren: Asmaa Kachout-Aarourou; Lihui Liu
Betreuer: Prof. Dr.-Ing. M. Göbel

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

Einleitung

Im Sommersemester 2023 im Rahmen der Lehrveranstaltung Systems Design Engineering im Studiengang Business and Systems Engineering soll ein Modell für den Energiehaushalt eines Hauses entwickelt werden. Das Gesamtsystem wird in sechs Module unterteilt. Die Gruppe Kachout/Liu bearbeiten mit dem Modul Energiespeicher (kurz: ESP).

Zielsetzung der Seminaraufgabe

Das Ziel dieser Seminaraufgabe besteht darin, dass die Studierenden mithilfe der Vorgehensweise des V-Modells die Simulation eines Hauses mit Solaranlage in MATLAB/Simulink durchführen. Die sechs aufgeteilten Systeme sollen miteinander kommunizieren können. Dadurch haben die Studierenden die Möglichkeit, ihre Kenntnisse im Bereich des Energiehaushalts eines Hauses sowie der Software MATLAB/Simulink zu vertiefen.

V-Modell

Abbildung 2: V-Modell 2023

Das V-Modell wird in der Softwareentwicklung häufig angewendet. Die Schritte auf der linken Seite des V-Modells umfassen die Spezifikations- und Designphase, während sich die Schritte auf der rechten Seite auf die Umsetzung und Testphase konzentrieren. Diese Phasen sind aufeinander aufbauend und führen zur Entstehung eines vollständigen Systems. Die Durchführung der Seminaraufgabe basierend auf dem V-Modell ist in Abbildung 2 wie folgt aufgeteilt:

• Anforderungsdefinition
• Funktionaler Systementwurf
• Technischer Systementwurf
• Komponentenspezifikation
• Programmierung/Modellierung
• Komponententest
• Integrationstest
• Systemtest

Programmierung / Modellierung

In der Programmierung werden die Komponenten den zuvor festgelegten Spezifikationen entsprechend umgesetzt. Die Programmierung erfolgte auf Basis des im technischen Systementwurf entworfenen Simulink Modells. Die verwendete Parameter werden separate dokumentiert und bei der Ladung der Datei "Start.m" initialisiert.

Warmwasserspeicher

Zum Simulieren des Warmwasserspeichers wurde als Beispiel FlexTherm Duo von dem Hersteller Flamco verwenet.
Die Gruppe HZR bietet die Warmwasserheizleistung für den Warmwasserspeicher, welche als Eingang ist. Die Leistung P wird mit dem Integrator die zugeführte Wärme $\dot Q$ integriert. Um die Temperaturdifferenz zu berechnen, wird durch die Formel berechnet:
$\Delta T = \frac{\dot Q}{m\cdot c}$
$c$ steht für die spezifische Wärmekapizität. Die Wärmekapizität von Wasser ist $4,2 \frac{KJ}{Kg\cdot K}$
Um die Einheiten konsistent zu halten, wurde die Wärmekapizität in Parameter.m als $4200 \frac{J}{g\cdot K}$gegeben.
$m$ ist die Masse des zu erhitzenden Wassers. Die Masse können durch die Formel berechnet werden: $m = \rho \cdot V$
$\rho$ ist die Wasserdichte und beträgt 1 kg/m³
$V$ ist Wassersvolumen mit der Einheit Liter, zur Umwandlung die Einheit als m³ wurde das Volumen durch 1000.
Danach wird eine Anfangstemperatur (Annahme: 10 Grad) mit dieser Temperaturdifferenz addiert. Dies wird als Ausgang ESP_Warmwassertemperatur ausgegeben und für die andere Gruppe zur Verfügung stellen.

Es gibt sicherlich Wärmeverlust in einem Ein Warmwasserspeicher. Folgende Formel ist zur Berechnung der verlorene Wärme:
$Q = \frac{\lambda \cdot A \cdot \Delta T}{d}$
$Q$ ist der Wärmefluss die Isolierung
$\lambda$ ist die Wärmeleitfähigkeit des Isoliermaterials. Aus dem Datenblatt von FlexTherm Duo wird Polystyrol als Isoliermaterial verwendet. In (Quelle) ist die Wärmeleitfähigkeit der Expandiertes Polystyrol xx zwischen xx. Im Simulink wird die Parameter mit dem Name PAR_WLF_EPS = 0,02 $\frac{W}{mK}$gegeben.
$A$ ist die Fläche der Isolierung. Die Fläche A kann durch das Produkt aus Heizfläche und Isolierungsdicke berechnet werden. Laut dem Datenblatt beträgt die Heizfläche = 0,5 m² und die Isolierungsdicke beträgt 0,08 m.
$\Delta T$ ist die Temperaturdifferenz zwischen dem Warmwasserspeicher und der Umgebung
$d$ ist die Dicke der Isolierungsschicht
Nachdem die verlorene Wärme berechnet wurden, wird dies durch das Block Add mit "+-" von HZR erhaltender Warmwasserheizleistung ausgeglichen.

Literaturverzeichnis

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