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

Zuerst wird geprüft, ob die eingegebene Leistung größer oder kleiner Null ist. Damit wird festgelegt, ob geheizt oder gekühlt werden soll. Danach wird geprüft, ob die eingegebene Leistung die durch einen Parameter festgelegten Grenzen über- oder unterschreitet. Wenn die eingegebene Leistung die Grenzwerte über- oder unterschreitet, wird der über- bzw. unterschrittene Grenzwert für die weitere Berechnung verwendet. (Abb. 8)

Gleichzeitig wird die Jahresarbeitszahl sowohl für Heizen als auch für Kühlen mit Hilfe der Außentemperatur über eine entsprechende Lookup-Tabelle ermittelt. (Abb. 9)

Für die weitere Berechnung muss der Wärmepumpe bekannt sein, ob geheizt oder gekühlt werden soll. Ist dies der Fall, kann die Berechnung fortgesetzt werden. Mit der Jahresarbeitszahl und der angegebenen Heiz-/Kühlleistung kann die zu verbrauchende Leistung ermittelt werden, indem die Heiz-/Kühlleistung durch die Jahresarbeitszahl dividiert wird. (Abb. 10)

Für den Warmwasserspeicher wird der Wärmepumpe ebenfalls eine Heizleistung vorgegeben. Die Wärmepumpe prüft dann, ob die eingegebene Heizleistung den Grenzwert überschreitet. Wird der Grenzwert nicht überschritten, kann mit der angegebenen Heizleistung weiter gerechnet werden. Wird der Grenzwert jedoch überschritten, wird der Grenzwert für die weitere Berechnung verwendet. (Abb. 11)

So wie bei dem Heizen/Kühlen, wird die Jahresarbeitszahl über eine Lookup-Tabelle bestimmt (Abb. 12)

Abschließend wird die für die Erwärmung des Warmwasserspeichers aufzuwendende Leistung berechnet. (Abb. 13)

Abbildung 8: Überprüfen der eingegebenen Leistung
Abbildung 9: Bestimmen der Jahresarbeitszahl
Abbildung 10: Berechnen der zu verbrauchenden Leistung
Abbildung 11: Überprüfen der angegebenen Heizleistung für den Warmwasserspeicher
Abbildung 12: Bestimmen der Jahresarbeitszahl für den Warmwasserspeicher
Abbildung 13: Bestimmen der Jahresarbeitszahl für den Warmwasserspeicher

Komponententest

Beim Komponententest werden die einzelnen Komponenten isoliert getestet, um sicherzustellen, dass sie ordnungsgemäß funktionieren. Dafür wird zunächst eine Testumgebung erstellt, mit welcher die einzelnen Komponenten überprüft werden können.

Der Komponententest zur Heizungstechnik wurde für die Komponente Wärmepumpe durchgeführt.

Folgende Testfälle wurden beim Komponententest untersucht:

    - Test auf alle Eingänge = 0
    - Testfall auf Kühlleistung bei vorhandener Stromleistung & hoher Temperatur
    - Testfall auf Heizleistung bei vorhandener Stromleistung & niedriger Temperatur
    - Testfall auf Heizleistung bei geringer Netzleistung & leerem Speicher & mittlerer Temperatur
    - Testfall auf Heizleistung bei geringem Speicher & keiner Netzleistung & mittlerer Temperatur
    - Testfall auf übermäßig hohe Heizleistung bei vorhandener Stromleistung & 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
    - Layout Gestaltung der Ein-& Ausgänge
    - Überprüfung der Parameternamen
    - Test der max. Heiz- & Kühlleistung die die Wärmepumpe erbringen kann

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

Im Sommersemester 2023 bestand die Aufgabe des Seminars darin, den Energiehaushalt eines Hauses mithilfe einer Simulation zu analysieren. Zur Umsetzung dieses Ziels wurde das V-Modell als Vorgehensweise gewählt. Das V-Modell legt großen Wert auf eine schrittweise und strukturierte Herangehensweise.

Zu Beginn des Seminars wurden die Anforderungen an das Endprodukt festgelegt. Diese Anforderungen wurden im Laufe des Prozesses immer detaillierter ausgearbeitet. In der Implementierungsphase erfolgte die Modellierung der detaillierten Anforderungen mit Hilfe von Matlab Simulink.

Nach der Implementierung wurden umfassende Tests durchgeführt, um sicherzustellen, dass das Produkt den Anforderungen entspricht. Diese Tests erfolgten auf verschiedenen Ebenen, um alle Aspekte des Energiehaushalts abzudecken. Am Ende des Prozesses wurde das Produkt vom Kunden abgenommen.

Aufgrund der umfangreichen Natur der Hausenergiemodellierung wurden sechs Gruppen gebildet, die sich jeweils mit einem spezifischen Bereich befassten, wie zum Beispiel Lastverteilung, Energieerzeugung, Energiespeicherung, Heizungsregelung, Heiz- und Klimatechnik sowie Isolationseigenschaften des Hauses. Jede Gruppe entwickelte und testete ihr Teilmodell, während die Ergebnisse von anderen Gruppen überprüft wurden. Dadurch konnten frühzeitig Unstimmigkeiten erkannt und korrigiert werden.

Das Seminar bot den Teilnehmenden die Möglichkeit, das V-Modell in der Praxis an einem realen Beispiel anzuwenden. Besonders die Phasen der Anforderungsdefinition und Implementierung standen dabei im Fokus. Die Integration und Ausführung des Gesamtmodells wurde erfolgreich abgeschlossen, und das fertige Modell wurde archiviert.

Insgesamt gelang es den Teams, ein funktionsfähiges Modul zu erstellen, das überwiegend sinnvolle Simulationsergebnisse liefert und somit die gewünschte Analyse des Energiehaushalts eines Hauses ermöglicht. Insgesamt bietet das V-Modell eine strukturierte, planbare und nachvollziehbare Vorgehensweise für die Softwareentwicklung. Es hilft, Risiken zu minimieren, Fehler frühzeitig zu erkennen und die Qualität der entwickelten Software zu verbessern.

Für die Simulation der Komponente wurde MATLAB Simulink verwendet.
Simulink ermöglicht die Modellierung von Systemen und Komponenten mit Hilfe einer intuitiven grafischen Benutzeroberfläche. Dazu bietet es eine umfangreiche Bibliothek von vordefinierten Bausteinen und Modulen, die für verschiedene Anwendungen geeignet sind. Die Durchführung von Echtzeitsimulationen wird von Simulink ermöglicht, bei denen die Komponenten zeitlich korrekt ausgeführt werden. Simulink ist eine leistungsfähige Umgebung für die Simulation von Komponenten. Es erleichtert die Modellierung, Simulation, Analyse und Implementierung von Komponenten durch eine intuitive grafische Benutzeroberfläche, eine umfangreiche Bausteinbibliothek

Für die Dokumentation und Archivierung wird SVN (Subversion) genutzt. SVN ermöglicht eine effiziente Verwaltung von Datei- und Projektversionen. Es ermöglicht das Aufzeichnen und Nachverfolgen von Änderungen an Dateien, den Vergleich von Versionen und das Wiederherstellen früherer Versionen. Die Zusammenarbeit in Entwicklungsteams wird mit SVN erleichtert, insbesondere in verteilten Teams. Es bietet die Möglichkeit, Backups des Repositorys zu erstellen, um die Sicherheit der Projektdaten zu gewährleisten. Im Falle eines Datenverlustes oder einer Beschädigung kann das Repository einfach wiederhergestellt werden. Insgesamt bietet SVN eine solide Versionskontrolllösung für die Softwareentwicklung. Es erleichtert die Zusammenarbeit, die Verfolgung von Änderungen, die Verwaltung von Zweigen und die Sicherung von Projektdaten.

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