Energiehaushalt eines Hauses: Energiespeicher ESP

Abbildung 1: Symbolbild der Seminaraufgabe ^[1]

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 Masterstudiengang Business and Systems Engineering soll ein Modell für den Energiehaushalt eines Hauses entwickelt werden. Das Gesamtsystem wird in sechs Module unterteilt:

Lastkollektiv
Energieerzeugung
Energiespeicherung
Heizungsregelung
Heiz- und Klimatechnik
Isolationseigenschaften des Hauses

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

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

Anforderungsdefinition: Lastenheft

Funktionaler Systementwurf

Technischer Systementwurf

Komponentenspezifikation

Programmierung / Modellierung

Bei der Programmierung werden die Komponenten gemäß den zuvor definierten Spezifikationen umgesetzt. Die Implementierung erfolgt im bereits erstellten Simulink-Modell, das für den technischen Systementwurf entwickelt wurde. Die verwendeten Parameter werden separat in einer Matlab-Datei zusammengefasst und beim Start des Modells aufgerufen, um die entsprechenden Konstanten im Workspace zu erstellen.

Warmwasserspeicher

Abbildung x stellt die Implementierung des Warmwasserspeichers in Simulink dar.

Für die Simulation des Warmwasserspeichers wurde das Modell FlexTherm Duo des Herstellers Flamco als Beispiel verwendet^[3] verwenet.
Die Gruppe HZR stellt die Warmwasserheizleistung für den Warmwasserspeicher bereit, die als Eingang fungiert. Die Leistung P wird mithilfe eines Integrators zur integrierten zugeführten Wärme $\dot Q$ erfasst. Zur Berechnung der Temperaturdifferenz wird die folgende Formel verwendet:
$\Delta T = \frac{\dot Q}{m\cdot c}$
$c$ 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, die Einheit wurde das Volumen durch 1000 als m³ umgewandelt.
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. Die folgende Formel ist zur Berechnung der verlorene Wärme:
$Q = \frac{\lambda \cdot A \cdot \Delta T}{d}$
$Q$ ist der Wärmefluss der Isolierung
$\lambda$ ist die Wärmeleitfähigkeit des Isoliermaterials. Aus dem Datenblatt von FlexTherm Duo wird Polystyrol als Isoliermaterial verwendet. In FSDE^[4] ist die Wärmeleitfähigkeit der Expandiertes Polystyrol zwischen 0,032 und 0,040. Im Simulink wird die Parameter mit dem Name PAR_WLF_EPS = 0,032 $\frac{W}{mK}$ gegeben.
$A$ ist die Fläche der Isolierung. Laut dem Datenblatt beträgt die Heizfläche = 0,5 m²
$\Delta T$ ist die Temperaturdifferenz zwischen dem Warmwasserspeicher und der Umgebung, welche schon berechnet wurde.
$d$ ist die Dicke der Isolierungsschicht. Im Datenblatt ist die Isolierungsdicke 0,08 m.
Nachdem die verlorene Wärme berechnet wurden, wird dies durch das Block Add mit "+-" von HZR erhaltender Warmwasserheizleistung ausgeglichen.

Energiespeicher

Komponententest

Integrationstest

Systemtest

Fazit

Literaturverzeichnis