Energiehaushalt eines Hauses: Lastkollektive LKT

Abbildung 1: Symbolbild der Seminaraufgabe

Autoren: Marvin Stute; David Schartner
Betreuer: Prof. Dr.-Ing. M. Göbel

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

V-Modell

Abbildung. 2: V-Modell

Funktionaler Systementwurf

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

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. 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 Hauses

Die 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.

Abbildung 7: Modellierung der Komponente "Eigenschaften des Hauses"

Daten

Die 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.

Abbildung 7: Modellierung der Komponente "Daten"

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;

Szenarioermittlung

Die 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.

Abbildung 7: Modellierung der Komponente "Szenarioermittlung"

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 Tageszeit

Die 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.

Abbildung 7: Modellierung der Komponente "Datum und Tageszeit"

Komponententest

Der Komponententest der Gruppe "Lastkollektive LKT" wurde durch die Gruppe 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

Testfall-ID	Testfall-Name	Anforderungs-ID	Vorbedingungen und Eingänge	Aktionen	Erwartetes Ergebnis	Ergebnis	Bewertung	Kommentar
010	Test der gesamten Komponente "Eigenschaft des Hauses"	xx	Parameter geladen; mit konstanten Werten	Simulation eines Zeitschritts	Ausgabe der Parameter ohne Änderung	Parameter Ausgabe ohne Änderung	i.O.	Daten werden an Bus und Ausgang weitergegeben
020	Ausgabe Grundfläche	xx	Parameter geladen; Parameter konstant	Simulation eines Zeitschritts	Ausgabe der Parameter ohne Änderung	Parameter Ausgabe ohne Änderung	i. O.	Daten werden an Bus und Ausgang weitergegeben
030	Ausgabe Deckenhöhe	xx	Parameter geladen; Parameter konstant	Simulation eines Zeitschritts	Ausgabe der Parameter ohne Änderung	Parameter Ausgabe ohne Änderung	i. O.	Daten werden an Bus und Ausgang weitergegeben
040	Ausgabe Etagen	xx	Parameter geladen; Parameter konstant	Simulation eines Zeitschritts	Ausgabe der Parameter ohne Änderung	Parameter Ausgabe ohne Änderung	i. O.	Daten werden an Bus und Ausgang weitergegeben
050	Ausgabe Fensterfläche	xx	Parameter geladen; Parameter konstant	Simulation eines Zeitschritts	Ausgabe der Parameter ohne Änderung	Parameter Ausgabe ohne Änderung	i. O.	Daten werden an Bus und Ausgang weitergegeben

Daten

Testfall-ID	Testfall-Name	Anforderungs-ID	Vorbedingungen und Eingänge	Aktionen	Erwartetes Ergebnis	Ergebnis	Bewertung	Kommentar
010	Test der gesamten Komponente "Daten"	xx	Parameter geladen; mit konstanten und variablen Werten	Simulation eines Jahres	Ausgabe der Parameter mit korrekter Berechnung	Ausgabe erfolgt rechnerisch korrekt	i. O.
020	Ausgabe Strompreis	xx	Parameter geladen; mit konstanten Werten	Ein Zeitschritt Simuliert	korrektes Ergebnis als Ausgabe	Ausgabe erfolgt rechnerisch korrekt	i. O.
030	Ausgabe Wasserverbrauch	xx	Parameter geladen; Parameter variiert	Simulation eines Jahres	korrektes Ergebnis als Ausgabe	Ausgabe erfolgt rechnerisch korrekt	i. O.
040	Ausgabe Anzahl Erwachsene	xx	Parameter geladen; Parameter konstant	Simulation eines Jahres	korrektes Ergebnis als Ausgabe	Ausgabe erfolgt rechnerisch korrekt	i. O.
050	Ausgabe Anzahl Kinder	xx	Parameter geladen; Parameter konstant	Simulation eines Jahres	korrektes Ergebnis als Ausgabe	Ausgabe erfolgt rechnerisch korrekt	i. O.
060	Ausgabe Temperatur	xx	Parameter geladen; Parameter variiert	Simulation eines Jahres	korrektes Ergebnis als Ausgabe	Ausgabe innerhalb einen Jahres erfolgt korrekt, danach Abfall der Temperatur	siehe Kommentar	Für Simulationszeitraum von einem Jahr alles i.O., danach Wiederholung Look-Up-Table oder neue Daten notwendig

Abbildung 7: Ausgabe Temperaturdaten innerhalb eines Jahres

Abbildung 7: Ausgabe Temperaturdaten nach mehr als einem Jahr

Abbildung 7: Ausgabe Wasserverbrauch

Szenarioermittlung

Testfall-ID	Testfall-Name	Anforderungs-ID	Vorbedingungen und Eingänge	Aktionen	Erwartetes Ergebnis	Ergebnis	Bewertung	Kommentar
010	Test der gesamten Komponente "Szenario Ermittlung"	xx	Parameter geladen; über Simulationszeit	Fortlaufende Simulation	Ausgabe varriert	Ausgabe erfolgt rechnerisch korrekt; Parameter in Parameterdatei fehlen	n. i. O.	PAR_LKT_Wochenendtag und PAR_LKT_Urlaubstag fehlen
020	Personenanzahl am Tag	xx	Parameter geladen; über Simulationszeit	Fortlaufende Simulation	Personenanzahl unterscheidet sich nach Uhrzeit	Personenanzahl variiert innerhalb des Tages	i. O.
030	Personenanzahl im Jahr	xx	Parameter geladen; über Simulationszeit	Fortlaufende Simulation	Arbeitstage und Urlaubstage	In Urlaubszeit Anzahl Peronen = 0	i. O.

Abbildung 7: Anzahl der Personen über ein Jahr dargestellt von 0-4

Datum und Tageszeit

Testfall-ID	Testfall-Name	Anforderungs-ID	Vorbedingungen und Eingänge	Aktionen	Erwartetes Ergebnis	Ergebnis	Bewertung	Kommentar
010	Test der gesamten Komponente "Datum und Tageszeit"	xx	Parameter geladen; über Simulationszeit	Fortlaufende Simulation	Simulation des Tages	Zeit wird simuliert	i. O.
020	Ausgabe der Clock	xx	Parameter geladen; über Simulationszeit	Fortlaufende Simulation	Simulation des Tages in Sekunden	Zeit wird in Sekunden simuliert	i. O.

Integrationstest

Der Integrationstest der Gruppe "Lastkollektive LKT" wurde durch die Gruppe 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:

Testfall-ID	Testfall-Name	Anforderungs-ID	Vorbedingungen und Eingänge	Aktionen	Erwartetes Ergebnis	Ergebnis	Bewertung	Kommentar
1000	Test auf Gesamtfunktion	xx	Parameter geladen	fortlaufende Simulation	Aufruf des Modells	Aufruf des Modells	i. O.
1100	Test des Input Bus	xx	Modell laden	fortlaufende Simulation	Konstanten werden im Modell weitergegeben	Konstanten werden im Modell an den richtigen Stellen benutzt	i. O.
1110	Konstante ESP_Verbrauch	xx	Konstante gesetzt	fortlaufende Simulation	Konstante = 5000	ESP_Verbrauch = 5000	i. O.
1120	Konstante EEZ_PVLeistungAC	xx	Konstante gesetzt	fortlaufende Simulation	Konstante = 2000	EEZ_PVLeistungAC = 2000	i. O.
1200	Test des Output Bus	xx	Modell laden	fortlaufende Simulation	Konstanten werden im Modell richtig verrechnet; plausible Output Ergebnisse	plausible Ouputs	i. O.
1210	LKT_Grundfaeche	xx	Parameter und Inputs bekannt	fortlaufende Simulation	LKT_Grundfaeche = 100	plausible Ouput; LKT_Grundfaeche = 100	i. O.
1220	LKT_Deckenhoehe	xx	Parameter und Inputs bekannt	fortlaufende Simulation	LKT_Deckenhoehe = 2.5	plausible Ouput; LKT_Deckenhoehe = 2.5	i. O.
1230	LKT_Etagen	xx	Parameter und Inputs bekannt	fortlaufende Simulation	LKT_Etagen = 2	plausible Ouput; LKT_Etagen = 2	i. O.
1240	LKT_Fensterfläche	xx	Parameter und Inputs bekannt	fortlaufende Simulation	LKT_Fensterfläche = 25	plausible Ouput; LKT_Fensterfläche = 25	i. O.
1250	LKT_Stromkosten	xx	Parameter und Inputs bekannt	fortlaufende Simulation	LKT_Stromkosten = 1082	plausible Ouput; LKT_Stromkosten = 1082	i. O.
1260	LKT_PersonenZuhause	xx	Parameter und Inputs bekannt	fortlaufende Simulation	LKT_PersonenZuhause = wechselnde Personenanzahl über Jahresverlauf	plausible Ouput; LKT_PersonenZuhause = wechselnde Personenanzahl über Jahresverlauf	i. O.
1270	LKT_Wasserverbrauch	xx	Parameter und Inputs bekannt	fortlaufende Simulation	LKT_Wasserverbrauch = steigender Verlauf;abhängig von Personenanzahl; Reset zum Jahreswechsel	plausible Ouput; LKT_Wasserverbrauch = steigender Verlauf;abhängig von Personenanzahl; Reset zum Jahreswechsel	i. O.
1280	LKT_Temperatur	xx	Parameter und Inputs bekannt	fortlaufende Simulation	LKT_Temperatur = schwankenden Verlauf über Jahr	plausible Ouput; LKT_Temperatur = schwankenden Verlauf über Jahr	i. O.
1290	LKT_Simulationszeit	xx	Parameter und Inputs bekannt	fortlaufende Simulation	LKT_Simulationszeit = stetig ansteigend	plausible Ouput; LKT_Simulationszeit = stetig ansteigend	i. O.
1211	LKT_Stromverbrauch	xx	Parameter und Inputs bekannt	fortlaufende Simulation	LKT_Stromverbrauch = steigender Verlauf;abhängig von Personenanzahl; Reset zum Jahreswechsel	plausible Ouput; LKT_Stromverbrauch = steigender Verlauf;abhängig von Personenanzahl; Reset zum Jahreswechsel	i. O.

Abbildung 7: Integrationstest des Moduls "LKT - Lastkollektive" & die Outputs

Literaturverzeichnis

---

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