Energiehaushalt eines Hauses: Heizungs- und Klimatechnik HZT

Abbildung 1: Symbolbild der Seminaraufgabe ^[1]

Autoren: Lars Engeln; Sven Brinkmann
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 das Fach "System Design Engineering" von Prof. Dr. Göbel unterrichtet. Diese Lehrveranstaltung zielt darauf ab, den Studierenden die Anwendung und Entwicklung des V-Modells näherzubringen, und zwar durch die Erstellung einer Seminararbeit. In diesem Artikel wird die Ausarbeitung der Gruppe Heizungstechnik (HZT) vorgestellt.

Zielsetzung der Seminaraufgabe

Das Hauptziel der Seminaraufgabe bestand darin, ein Haus zu simulieren und es in verschiedene Teilsysteme zu unterteilen. Hierbei folgten wir in Gruppen dem V-Modell und erarbeiteten Meilensteine. Am Ende war das Ziel, ein funktionsfähiges simuliertes Haus in Simulink zu erstellen, bei dem die einzelnen Systeme und Komponenten miteinander kommunizieren konnten.

V-Modell

Das V-Modell bietet einen strukturierten und schrittweisen Ansatz für die Entwicklung von Systemen und hilft dabei potenzielle Probleme frühzeitig zu identifizieren und zu beheben. Durch die klare Abfolge von Phasen und Tests ermöglicht das Modell eine effektive und effiziente Entwicklung und Qualitätssicherung von Softwareprojekten.

Wie in Abbildung 2 dargestellt, wurde das Projekt in die folgende Schritte unterteilt:

       1 Anforderungsdefinition 
       2 funktionaler Systementwurf 
       3 technischer Systementwurf 
       4 Komponentenentwurf 
       5 Programmierung/Modellierung 
       6 Komponententest 
       7 Integrationstest 
       8 Systemtest 
       9 Abnahme

Anforderungsdefinition: Lastenheft

Für die Anforderungsdefinition wird ein Lastenheft genutzt, das die Anforderungen, Erwartungen und Spezifikationen für das Projekt beschreibt. Es dient als formale und detaillierte Beschreibung der Anforderungen.

Das Lastenheft enthält Informationen über die Grundidee, Rahmenbedingungen, Schnittstellen, Art des Kühlsystems/Heizsystems, wie am Ende simuliert & dokumentiert wird und welche Alternativen es mal gegeben hat. Die Anforderungen sind unterteilt in einzelne Kapitel, bei welchen unterschieden wird, ob diese Anforderungen sind oder nur dazu dienen den Leser des Lastenheftes zu Informieren. Dazu wird von Professor Göbel entschieden, ob die aufgestellten Anforderungen akzeptiert werden, teilweise akzeptiert werden oder nicht akzeptiert werden. Dazu können die Anforderungen mit Kommentaren von Herrn Göbel versehen werden.

Das Lastenheft dient als Ausgangspunkt für die Entwicklung des technischen Systementwurfs.

Funktionaler Systementwurf

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

Technischer Systementwurf

Dieser technische Systementwurf beschreibt die Architektur, die Komponenten und die Schnittstellen. Die Komponente in diesem System ist eine einzelne Wärmepumpe, mit den Eingängen "HZR_Heizleistung","HZR_Warmwasserheizleistung_Wärmepumpe" und "LKT_Temperatur". Die Ausgaben des Systems sind "HZT_Verbrauchteleistung" und HZT_Warmwasserspeicher_verbrauchte_Leistung".

Die Wärmepumpe nimmt die von der Heizungsregelung vorgegebene Heizleistung und entnimmt der Lastkollektive die Außentemperatur. Mit diesen beiden Werten kann die Jahresarbeitszahl ermittelt werden, mit der die tatsächlich verbrauchte Leistung berechnet werden kann. Gleiches gilt für den Warmwasserspeicher, die ebenfalls von der Wärmepumpe erwärmt werden soll.

Die Wärmepumpe zeigt dann an, wie viel Leistung tatsächlich jeweils für den Warmwasserspeicher und die normale Deckenheizung/-kühlung verbraucht wird.

Komponentenspezifikation

Die Komponentenspezifikation enthält die Eingänge die in die Komponente eingehen, die Ausgänge die die Komponente ausgibt und die Parameter mit denen die Komponente arbeitet. Dazu werden die einzelnen Spezifikationen in Kapitel unterteilt.

Wärmepumpe

Eingänge

HZR_Warmwasserheizleistung_Waermepumpe
HZR_Heizleistung
LKT_Temperatur

Ausgänge

HZT_Verbrauchte_Leistung
HZT_Warmwasserspeicher_verbrauchte_Leistung

Parameter Jahresarbeitszahl = ist eine Variable die in abhängig von der Temperatur ist

PAR_HZT_MinLeistung_Klima = -10000
PAR_HZT_MaxLeistung_Heizung= 10000
PAR_HZT_MaxLeistung_Warmwasser= 4500

Aufgabe

Die Aufgabe der Wärmepumpe besteht darin, die erforderliche Leistung für den Heizkörper bereitzustellen, um sowohl zu heizen als auch zu kühlen.
Zusätzlich ist die Wärmepumpe auch für die Leistungsbereitstellung des Warmwasserspeichers zuständig.

Heizen/Kühlen

Die Heizungsregelung gibt vor, welche Heiz- bzw. Kühlleistung erbracht werden muss, und es wird überprüft, ob diese Leistung das Maximum der Wärmepumpe überschreitet.
Bei Über- oder Unterschreiten der Grenzen werden die entsprechenden Grenzwerte genutzt.
Die Jahresarbeitszahl, die von der Lufttemperatur abhängt, wird mithilfe einer Lookup-Tabelle bestimmt.

Warmwasserspeicher

Wenn die zu erbringende Leistung die maximale Leistung überschreitet, wird die definierte maximale Leistung genutzt.
Die Jahresarbeitszahl für den Warmwasserspeicher wird ebenfalls über eine Lookup-Tabelle ermittelt.

Eingaben

Die Außentemperatur wird von dem Lastkollektiv übergeben.
Die Heizleistung kommt von der Heizungsregelung.

Ausgaben

Die Ausgaben des Systems sind die erforderlichen Leistungen für die Heizung/Kühlung sowie den Warmwasserspeicher.

Programmierung / Modellierung

Text

Komponententest

Text

Integrationstest

Beim Integrationstest werden die entwickelten Komponenten zu Modulen zusammengeführt und getestet, um sicherzustellen, dass sie korrekt zusammenarbeiten und die Systemanforderungen erfüllen. Hierbei werden die Schnittstellen zwischen den Komponenten überprüft.

Das Modul der Heizungstechnik wurde lediglich mithilfe einer Komponente (Wärmepumpe) programmiert. Deshalb beschränkt sich der Integrationstest auf das Überprüfen von Änderungen nach dem Komponententest, sowie das Testen der Schnittstellenanbindungen an das Gesamtsystem.

Folgende Testfälle wurden beim Integrationstest untersucht:

    - Test auf alle Eingänge = 0 
    - Testfall auf Kühlleistung bei vorhandener Stromleistung & hoher Temperatur 
    - Testfall auf Heizleistung bei vorhandener Stromleistung & niedriger Temperatur
    - Testfall auf übermäßig hohe Heizleistung & sehr geringer Temperatur
    - Testfall der verbrauchten Leistung des Warmwasserspeichers bei Leistungen unterhalb der Grenze
    - Testfall der verbrauchten Leistung des Warmwasserspeichers bei Leistungen oberhalb der Grenze
    - Test der max. Heiz- & Kühlleistung welche die Wärmepumpe erbringen kann

Systemtest

Beim Systemtest werden die einzelnen Module als Einheit getestet, um sicherzustellen, dass diese ordnungsgemäß funktioniert und alle Anforderungen erfüllt. Dabei wurden umfassende Tests durchgeführt, um mögliche Fehler oder Mängel zu identifizieren.

Folgende Testfälle wurden beim Systemtest untersucht:

    - Das Laden der Parameter.
    - Funktionstest der Heizungsregelung.
    - Überprüfen der erzeugten Solarenergie.
    - Überprüfen der Heizungsregelung bei konstanter Soll und Ist Temperatur von 20°C.
    - Überprüfen der Warmwassertemperatur auf plausible Werte.

Fazit

Literaturverzeichnis

↑ https://www.herold.at/blog/passivhaus-was-bringt-es-vorteile/
↑ Erstellt von Prof. Dr. Göbel Sommer 2023
↑ Erstellt von Prof. Dr. Göbel Sommer 2023