Energiehaushalt eines Hauses: Isoliereigenschaften des Hauses ISO
Autoren: Nico Kasprik; Jonas Loddenkemper
Betreuer: Prof. Dr.-Ing. M. Göbel
→ zum Hauptartikel: Systems Design Engineering - Seminaraufgabe SoSe 2023: Energiehaushalt eines Hauses
Einleitung
Im Rahmen des Studiengangs Business and Systems Engineering wird den Studierenden in der Lehrveranstaltung Systems Design Engineering eine praxisorientierte Herangehensweise an die Entwicklung technischer Systeme vermittelt. Ein bewährtes Modell, das für diesen Zweck angewendet wird, ist das V-Modell. Im Sommersemester 2023 stand die Simulation des Energiehaushalt eines Hauses im Fokus der Studierenden. Dabei wurde das Gesamtsystem in einzelne Module aufgeteilt und von verschiedenen Gruppen realisiert.
Dieser Artikel beleuchtet die Methoden und Ansätze, die von der Gruppe ISO - Isoliereigenschaften des Hauses verwendet wurden, um den Wärmeverlust, die Wärmekapazität und die Innentemperatur des Hauses zu bestimmen. Darüber hinaus werden die Herausforderungen, Tests und Erkenntnisse während des Entwicklungsprozesses herausgestellt, um einen Einblick in die praktische Anwendung des erlernten Wissens zu geben.
Zielsetzung der Seminaraufgabe
Ziel der Seminaraufgabe ist es, das V-Modell auf ein System anzuwenden. Im Zuge des Seminars wurde sich zuvor für das Modell „Haus“ entschieden. Das System „Haus“ wurde dabei in verschiedene, für den Energiehaushalt wichtige, Teilsysteme aufgeteilt. Dabei sollte die komplette Entwicklungsphase von der Anforderungsdefinition bis hin zur Modellierung und Simulation für ein Teilsystem durchlaufen werden. Anschließend sollte das Teilsystem Schritt für Schritt getestet werden. Dabei wurden im ersten Schritt die Komponenten getestet. Darauffolgend wurde das Modul getestet. Im letzten Schritt wurden alle von den Gruppen erstellten Teilsysteme, in ein System integriert und auf ihre Funktion überprüft. Mithilfe des V-Modells sollten die Studierenden Schritt für Schritt einen Softwareentwicklungsprozess durchlaufen. Dabei sollten, über eine gute Entwicklungsphase, Fehler präventiv vermieden werden. Über die Testungen von kleinen Komponenten hin zum kompletten System, sollten Fehler schneller identifiziert und behoben werden.
V-Modell
Das V-Modell beschreibt eine Projektmanagementmethode speziell für die Entwicklung von Software. Das V-Modell trägt seinen Namen, da die durchlaufenden Phasen des Entwicklungsprozesses in der Form eines „V“ angeordnet sind. Dabei ergeben sich zwei Arme. Der linke Arm beschreibt die Entwicklungsphase, während der rechte Arm den Phasenfluss der Testung beschreibt. [2]
Das V-Modell lässt sich in neun unterschiedliche Phasen aufteilen. In der Anforderungsdefinition werden Anforderungen an das Softwareprojekt erfasst. In der Regel werden die Anforderungen in einem Lastenheft festgehalten. Ziel des funktionalen Systementwurfs ist es, eine klare und eindeutige Beschreibung des Systems zu erstellen, die als Grundlage für die weitere Entwicklung dient. Der technische Systementwurf zeichnet sich dadurch aus, dass Schnittstellen und Komponenten definiert werden. In der Phase der Komponentenspezifikation werden Vorarbeiten für Programmierung vollzogen. Es wird analysiert, wie geplante Funktionen in der Software umsetzten sind. In dem fünften Schritt der Programmierung wird der eigentliche Code geschrieben/ generiert und die Komponenten und Module der Software entwickelt. Die gesamte Testphase gliedert sich in den Komponententest, Integrationstest und dem Systemtest, sowie der Abnahme auf. Dort werden nach der Implementierung zuerst die Komponenten, dann die Module, bis hin zu dem gesamten System auf ihre Funktionsfähigkeit überprüft. In den Testphasen kann es immer wieder zu Anpassungen an der Software kommen. In der letzten Phase, der Abnahme, wird das Endprodukt an den Entwicklungsleiter bzw. Kunden übergeben.
Anforderungsdefinition: Lastenheft
In der ersten Phase des V-Modells wurden die Anforderungen an das Softwareprojekt definiert. Die Anforderungen wurden in einem Lastenheft festgehalten und von Prof. Dr.-Ing. M. Göbel bewertet. Daraufhin wurden die Anforderungen an das Teilsystem angepasst. Die Anforderungen für die Isoliereigenschaften des Hauses teilen sich in 12 Unterpunkte auf (siehe Tabelle 1). Die allgemeinen Anforderungen und die Rahmenbedingungen beschreiben grundlegende Aspekte, die zuvor festgelegt wurden. Weiterhin bilden die Anforderungen der einzelnen strukturellen Elemente des Hauses die allgemeinen Isolieranforderungen. In der Anforderungsdefinition sind zudem Anforderungen an die nächsten Entwicklungsphasen definiert worden. Ebenso werden im Lastenheft auch die Software und die Dokumentation betrachtet.
| ID | "Typ (I = Info, A = Anforderung, E = Einleitung)" | Kapitel | Inhalt | Ersteller | Datum | Durchsicht von | am | Status Auftraggeber | Kommentar Auftraggeber | Status Auftragnehmer | Kommentar Auftragnehmer |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 001 | I | 1 | Allgemeine Anforderungen | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 16.04.23 | ||||||
| 002 | A | Matlab 2022a nutzen/Arbeit in Bibliotheken | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 23.04.23 | Akzeptiert | ||||||
| 003 | A | Energieverbrauch senken | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 16.04.23 | Akzeptiert | das ist das Ziel, ja | Siehe Einleitung | ||||
| 004 | A | CO2-Ausstoß senken | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 16.04.23 | Akzeptiert | das ist das Ziel, ja | Siehe Einleitung | ||||
| 005 | A | Rohstoffauswahl hinsichtlich Erzeugung/Verarbeitbarkeit/Frei von schädlichen Chemikalien | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 16.04.23 | Akzeptiert | ||||||
| 006 | A | Rohstoffauswahl hinsichtlich Nachhaltigkeit | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 16.04.23 | Akzeptiert | ||||||
| 007 | A | Verbesserung des Wohnkomforts | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 16.04.23 | Akzeptiert | ||||||
| 008 | A | Erfüllung geltender Bauvorschriften | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 16.04.23 | Abgelehnt | das simulieren wir nicht mit ;-) | |||||
| 009 | I | 2 | Rahmenbedingungen | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 16.04.23 | ||||||
| 010 | A | Schnittstellen definieren | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 16.04.23 | Akzeptiert | ||||||
| 011 | A | Grundriss, etc. auswerten, thermischen Körper erstellen und Flächen berechnen -> von Lastkollektiv mit Variablen | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 23.04.23 | Akzeptiert | Aufbau des Hauses und der Wände über Parameter beschreiben | |||||
| 012 | A | Wandaufbau als xls-Tabelle, Ergbenisse für Matlab zur Verfügung stellen | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 23.04.23 | Akzeptiert | Wand-Aufbau gerne als xls-Tabelle, deren Endergebnis Sie per Matlab einlesen | |||||
| 047 | A | Außentemperatur -> von Lastkollektiv | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 24.04.23 | Akzeptiert | ||||||
| 048 | A | Isttemperatur -> an Heizungsregelung geben | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 24.04.23 | Akzeptiert | ||||||
| 049 | A | Differenztemperaturen ermitteln | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 24.04.23 | Abgelehnt | das macht HZR, sie bekommen die Heizleistung. | |||||
| 050 | A | Aktuelle Energiezufuhr -> von Heizungstechnik | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 24.04.23 | Akzeptiert | ||||||
| 013 | I | 3 | Dach | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 16.04.23 | ||||||
| 014 | A | Dämmstoff mit gutem U-Wert | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 16.04.23 | Akzeptiert | Grobe Skizze des Hauses anfertigen, daraus die Flächen bestimmen | Wird in Schritt 011 für alle Oberflächen berechnet | ||||
| 015 | I | 4 | Fenster | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 16.04.23 | ||||||
| 016 | A | Dämmstoff mit gutem U-Wert | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 16.04.23 | Akzeptiert mit Einschr. | mit einstellbarem U-Wert. Wir können alle Szenarien hiermit durchspielen/-simulieren. | |||||
| 017 | A | Einsatz von Dämmbändern | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 16.04.23 | Abgelehnt | ?? Wozu das? Das simulieren wir nicht mit. | |||||
| 018 | I | 5 | Türen | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 16.04.23 | ||||||
| 019 | A | Dämmstoff mit gutem U-Wert | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 16.04.23 | Akzeptiert | ||||||
| 020 | A | Einsatz von Dämmbändern | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 16.04.23 | Abgelehnt | ||||||
| 021 | I | 6 | Bodendämmung | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 16.04.23 | ||||||
| 022 | A | Dämmstoff mit gutem U-Wert | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 16.04.23 | Akzeptiert | ||||||
| 023 | I | 7 | Fassaden | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 16.04.23 | ||||||
| 024 | A | Dämmstoff mit gutem U-Wert | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 16.04.23 | Akzeptiert | ||||||
| 025 | I | 8 | Technischer Systementwurf | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 16.04.23 | ||||||
| 026 | A | Skizze der Komponenten mit Signalen in einem Simulinkmodell | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 16.04.23 | Akzeptiert | ||||||
| 027 | I | 9 | Komponentenspezifikation | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 16.04.23 | ||||||
| 028 | A | Programmiervorbereitung | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 16.04.23 | Akzeptiert | ||||||
| 029 | I | 10 | Komponenten-, Modul- und Systemtests | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 16.04.23 | ||||||
| 030 | A | Programmierung/Modellierung | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 16.04.23 | Akzeptiert | ||||||
| 031 | A | Erstellung eines Simulink-Modells | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 16.04.23 | Akzeptiert | ||||||
| 032 | A | Testen der Komponenten | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 16.04.23 | Akzeptiert | ||||||
| 033 | A | Testen der Module | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 16.04.23 | Akzeptiert | ||||||
| 034 | A | Testen der Systeme | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 16.04.23 | Akzeptiert | ||||||
| 035 | I | 11 | Software | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 16.04.23 | ||||||
| 036 | A | Programmierung nach Namenskonvektion | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 16.04.23 | Akzeptiert | ||||||
| 037 | A | Ausführliche Kommentierung bei der Programmierung | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 16.04.23 | Akzeptiert | ||||||
| 038 | A | Übersichtliche Struktur | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 16.04.23 | Akzeptiert | ||||||
| 039 | I | 12 | Dokumentation | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 16.04.23 | ||||||
| 040 | A | Erstellen eines Wiki-Artikels | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 16.04.23 | Akzeptiert | ||||||
| 041 | A | Beschreibung des Aufbaus | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 16.04.23 | Akzeptiert | ||||||
| 042 | A | Dokumentation zur Verwendung des Modells | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 16.04.23 | Akzeptiert | ||||||
| 043 | A | Dokumentation der Modellierung und Programmierung | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 16.04.23 | Akzeptiert | ||||||
| 044 | A | Erstellung eines technischen Systementwurfs | Nico Kasprik & Jonas Loddenkemper | 16.04.23 | Akzeptiert | ||||||
| 045 | I | 13 | Einleitung | ||||||||
| 046 | E | Ziel dieser Anforderungsliste ist es den Prozess der Optimierung eines modernen Hauses, hinsichtlich der Isolierung und Wärmeeigenschaften, zu strukturieren. Dabei ist das Ziel den CO2- Ausstoß und Energieverbrauch zu senken. | Akzeptiert | Sie müssen noch den Körper "Haus" als thermischen Körper beschreiben, der sich aufheizen, Wärme speichern und sich abkühlen kann. | Wird in Schritt 011 erledigt |
Tabelle 1: Anforderungsdefinitionen
Funktionaler Systementwurf
Der funktionale Systementwurf wurde im Verlauf des Sommersemesters 2023 nicht als integraler Bestandteil der Gruppenaufgabe berücksichtigt, stattdessen wurde er von Prof. Dr.-Ing. M. Göbel, wie in Abbildung 3 zu sehen, bereitgestellt.
Technischer Systementwurf
Der Abschnitt "Technischer Systementwurf" im V-Modell umfasst die Phase, in der die Anforderungen aus dem funktionalen Systementwurf in eine detaillierte technische Spezifikation überführt werden. Dabei werden die verschiedenen technischen Komponenten identifiziert und deren Funktionen sowie Schnittstellen definiert. Die Gruppe ISO ist dabei in die folgenden vier Komponenten aufgeteilt:
- Flaechenberechnung
- Waermeverlust
- Warmekapazitaet
- IstTemp
Die Komponente "Flaechenberechnung" ermittelt aus den bereitgestellten Daten des Lastkollektivs verschiedene Werte, wie zum Beispiel die Wand- und Fensterfläche. Innerhalb der Komponente "Waermeverlust" wird mittels der Differenz zwischen Außen- und aktuellen Innentemperatur der Wärmeverlust (oder auch "Wärmegewinn") durch die Außenflächen berechnet. Dazu wurde für alle vorhandenen Flächen der U-Wert (Wärmedurchgangskoeffizient) ermittelt. Unter der "Warmekapazitaet" eines Hauses wird die gespeicherte Wärmeenergie innerhalb der Außenflächen verstanden. Jede Oberfläche hat dabei eine spezifische Wärmekapazität pro m². Die gespeicherte Wärme- oder auch Kälteenergie beeinflusst dabei die Reaktion des Gesamtsystems auf eine Temperaturänderung. Aus all diesen Werten wird letztlich in der Komponente "IstTemp" die aktuelle Innenraumtemperatur ermittelt. Diese gilt als Einflussgröße für die zuzuführende Heiz- oder Kühlleistung und beeinflusst währenddessen dauerhaft Faktoren wie zum Beispiel den Waermeverlust.
Komponentenspezifikation
Im Rahmen der Komponentenspezifikation werden die Funktion, das Verhalten, die interne Struktur sowie die Schnittstellen für die im technischen Systementwurf entwickelten Komponenten definiert. In den Folgenden Tabellen werden die Spezifikationen der vier Komponenten detailliert aufgeführt.
Flaechenberechnung
Die für alle weiteren Berechnungen notwendigen Flächen werden in dieser Komponente berechnet.
Eingänge
| Eingänge | Beschreibung | Einheit |
| PAR_LKT_Grundflaeche | Größe der Grundfläche | [m²] |
| PAR_LKT_Deckenhoehe | Höhe der Decke | [m] |
| PAR_LKT_Fensterflaeche | Prozentanteil der Fensterfläche von der Gesamtfläche der Wand | [%] |
Tabelle 2.1: Eingänge Flächenberechnung
Ausgänge
| Ausgänge | Beschreibung | Einheit | |||
| ISO_FlaecheWand | Fläche der Wände | [m²] | ISO_FlaecheFenster | Fläche der Wände | [m²] |
Tabelle 2.2: Ausgänge Flächenberechnung
Parameter
| Parameter | Beschreibung | Einheit |
| - | - | - |
Tabelle 2.3: Parameter Flächenberechnung
Spezifikationen
| ID | Kapitel | Inhalt | Ersteller | Datum |
| 1 | Flächenberechnung | Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik | 05.05.2023 | |
| 111 | Berechnung der Wandfläche aus LKT-Daten | Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik | 05.05.2023 | |
| 112 | Berechnung der Fensterfläche aus LKT-Daten | Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik | 05.05.2023 |
Tabelle 2.4: Spezifikationen Flächenberechnung
Waermeverlust
Die Komponente "Waermeverlust" verwendet die Temperaturdifferenz zwischen der Außentemperatur und der aktuellen Innentemperatur, um den Wärmeverlust (oder -gewinn) durch die Außenflächen zu berechnen. Hierfür wurde der U-Wert (Wärmedurchgangskoeffizient) für alle vorhandenen Flächen ermittelt.
Eingänge
| Eingänge | Beschreibung | Einheit |
| ISO_Flaeche_Fenster | Fensterfläche des Hauses | [m²] |
| LKT_Temperatur | Außentemperatur von Lastkollektiv | [°C] |
| ISO_FlaecheWand | Wandfläche des Hauses | [m²] |
| ISO_IstTemp | Aktuelle Innentemperatur | [°C] |
| LKT_Grundflaeche | Grundfläche des Hauses | [m²] |
Tabelle 3.1: Eingänge Wärmeverlust
Ausgänge
| Ausgänge | Beschreibung | Einheit |
| ISO_Waermeverlust | Wärmeverlust durch Außenfläche | [W] |
Tabelle 3.2: Ausgänge Wärmeverlust
Parameter
| Parameter | Beschreibung | Einheit | Wert | ||||
| PAR_ISO_DachUWert | U-Wert des Dachs | [W/(m²K)] | 0,188 | ||||
| PAR_ISO_BodenUWert | U-Wert des Bodens | [W/(m²K)] | 0,073 | ||||
| PAR_ISO_WaendeUWert | U-Wert der Wände | [W/(m²K)] | 0,187 | PAR_ISO_FensterUWert | U-Wert der Fenster | [W/(m²K)] | 0,5 |
Tabelle 3.3: Parameter Wärmeverlust
Spezifikationen
| ID | Kapitel | Inhalt | Ersteller | Datum |
| 2.1 | Wärmeverlust | Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik | 05.05.2023 | |
| 211 | U-Werte der einzelnen Oberflächen werden eingelesen | Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik | 05.05.2023 | |
| 212 | Flächen werden von LKT und ISO eingelesen | Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik | 05.05.2023 | |
| 213 | Innentemperatur wird eingelesen | Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik | 05.05.2023 | |
| 2.2 | Berechnung | Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik | 05.05.2023 | |
| 221 | Mittels Oberflächen und Temperaturdifferenz wird der Wärmeverlust in [W] ermittelt | Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik | 05.05.2023 |
Tabelle 3.4: Spezifikationen Wärmeverlust
Warmekapazitaet
Die "Warmekapazitaet" eines Hauses bezieht sich auf die gespeicherte Wärmeenergie, die sich innerhalb der Außenflächen befindet. Jede Oberfläche weist eine spezifische Wärmekapazität pro Quadratmeter auf. Die gespeicherte Wärme- oder Kälteenergie hat einen maßgeblichen Einfluss auf die Reaktion des Gesamtsystems auf eine Veränderung der Temperatur.
Eingänge
| Eingänge | Beschreibung | Einheit |
| ISO_FlaecheWand | Wandfläche des Hauses | [m²] |
| LKT_Grundflaeche | Grundfläche des Hauses | [m²] |
| ISO_FlaecheFenster | Fensterfläche des Hauses | [m²] |
Tabelle 4.1: Eingänge Wärmekapazität
Ausgänge
| Ausgänge | Beschreibung | Einheit |
| ISO_Waermekapazitaet | Wärmekapazität des Hauses | [J/K] |
Tabelle 4.2: Ausgänge Wärmekapazität
Parameter
| Parameter | Beschreibung | Einheit | Wert |
| PAR_ISO_WarmekapazitaetWand | Wärmekapazität der Wände | [kJ/(m²*K)] | 353 |
| PAR_ISO_WarmekapazitaetDach | Wärmekapazität des Dachs | [kJ/(m²*K)] | 448 |
| PAR_ISO_WarmekapazitaetBoden | Wärmekapazität des Bodens | [kJ/(m²*K)] | 63 |
| PAR_ISO_WarmekapazitaetFenster | Wärmekapazität der Fenster | [kJ/(m²*K)] | 21,6 |
Tabelle 4.3: Parameter Wärmekapazität
Spezifikationen
| ID | Kapitel | Inhalt | Ersteller | Datum |
| 3.1 | Warmekapazitaet | Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik | 05.05.2023 | |
| 311 | Ermittlung der Wärmekapazität der Wände | Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik | 05.05.2023 | |
| 312 | Ermittlung der Wärmekapazität des Dachs | Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik | 05.05.2023 | |
| 313 | Ermittlung der Wärmekapazität des Bodens | Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik | 05.05.2023 | |
| 314 | Ermittlung der Wärmekapazität der Fenster | Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik | 05.05.2023 | |
| 3.2 | Berechnung | Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik | 05.05.2023 | |
| 321 | Die U-Werte werden mit den jeweiligen Flächenwerten Multipliziert, um Gesamtwärmekapazitäten zu ermitteln | Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik | 05.05.2023 | |
| 322 | Gesamtwärmekapazitäten werden summiert und anschließend mit 1000 multipliziert umd [J/K] zu ermitteln | Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik | 05.05.2023 |
Tabelle 4.4: Spezifikationen Wärmekapazität
IstTemp
Mittels der vorliegenden Daten wird in der Komponente "IstTemp" schließlich die gegenwärtige Innenraumtemperatur ermittelt.
Eingänge
| Eingänge | Beschreibung | Einheit |
| ISO_Warmekapazitaet | Wärmekapazität des Hauses | [J/K] |
| HZR_Heizleistung | Zugeführte Heiz- bzw. Kühlleistung | [W] |
| ISO_Waermeverlust | Durch die Wände verlorene/gewonnene Energie | [W] |
Tabelle 5.1: Eingänge IstTemp
Ausgänge
| Ausgänge | Beschreibung | Einheit |
| ISO_IstTemp | Aktuelle Innenraumtemperatur des Hauses | [°C] |
Tabelle 5.2: Ausgänge IstTemp
Parameter
| Parameter | Beschreibung | Einheit | Wert |
| - | - | - | - |
Tabelle 5.3: Spezifikationen IstTemp
Spezifikationen
| ID | Kapitel | Inhalt | Ersteller | Datum |
| 4.1 | IstTemp Berechnung | Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik | 05.05.2023 | |
| 411 | Ermittlung der Wärmeenergie des Hauses in J | Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik | 05.05.2023 | |
| 412 | Aufheizung/Abkühlung durch Summe Heizleistung & Wärmeverlust ermitteln | Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik | 05.05.2023 | |
| 413 | Durch Gewichtung der Wärmeenergie und anschließender Integration wird die Ist-Temperatur ermittelt | Jonas Loddenkemper & Nico Kasprik | 05.05.2023 |
Tabelle 5.4: Spezifikationen IstTemp
Programmierung / Modellierung
Der Abschnitt "Programmierung/Modellierung" im V-Modell beschreibt die Phase, in der die Softwarekomponenten entwickelt und modelliert werden. Diese Phase beinhaltet sowohl die Modellierung der Softwarearchitektur, Datenstrukturen und Algorithmen. Dabei wird Matlab/Simulink als Modellierungswerkzeug verwendet, um die spezifizierten Anforderungen umzusetzen. Zusätzlich zur Modellierung in Matlab/Simulink wurden die benötigten Parameter in einer Matlab-Datei (.m) gespeichert und durch das Gesamtsystem in die Simulation eingebunden.
Parameterdatei
% parameter_ISO % Waermekapazitaet [kJ/(m²K)] PAR_ISO_WarmekapazitaetWand = 353; % fuer Haus errechnete Waermekapazitaet (alle Waende) PAR_ISO_WarmekapazitaetDach = 448; % fuer Haus errechnete Waermekapazitaet (ganzes Dach) PAR_ISO_WarmekapazitaetFenster = 21.6; % fuer Haus errechnete Waermekapazitaet (alle Fenster) PAR_ISO_WarmekapazitaetBoden = 63; % fuer Haus errechnete Waermekapazitaet (ganzer Boden) % Uwert [W/(m²K)] PAR_ISO_WaendeUWert = 0.187; % fuer Haus errechneter UWert (alle Waende) PAR_ISO_DachUWert = 0.188; % fuer Haus errechneter UWert (ganzes Dach) PAR_ISO_FensterUWert = 0.5; % fuer Haus errechneter UWert (alle Fenster) PAR_ISO_BodenUWert = 0.073; % fuer Haus errechneter UWert (ganzer Boden)
Flächenberechnung
Im Simulink-Subsystem "Flaechenberechnung" werden mithilfe der vom Lastkollektiv die Wand- und Fensterflächen in [m²] ermittelt.
Wärmeverlust
Die Komponente "Wärmeverlust" ermittelt anhand der Temperaturdifferenz zwischen dem Außen- und Innenbereich, den vorher berechneten und zur Verfügung gestellten Flächen sowie den ermittelten U-Werten der einzelnen Oberflächen den Wärmeverlust in Form einer Leistungseinheit [W]. Falls die Außentemperatur höher ist als die Innentemperatur, ergibt sich ein positiver Wert, der einem "Wärmegewinn" oder einer Erwärmung des Innenraums entspricht.
Wärmekapazität
Der Ausgabewert ISO_Waermekapazitaet wird in der Komponente "Warmekapazitaet" errechnet. Hierzu wurden im vorhinein die Wärmekapazitäten der einzelnen Oberflächen ermittelt. Durch eine Multiplikation der Wärmekapazitäten mit den eingefügten Parametern und einer Umrechnung von [kJ/K] in [J/K] ergibt anschließend die Ausgabe in [J/K].
IstTemp
In der letzten Komponente der Gruppe "Isoliereigenschaften des Hauses" wird die Innenraumtemperatur in Form des Ausgabewerts "ISO_IstTemp" berechnet. Zu Beginn wird die in den Außenflächen des Hauses gespeicherte Wärmeenergie in [J] aus der Wärmekapazität in [J/K] und der Wandtemperatur [°C] ermittelt. Um ein plausibles Ergebnis im Temperaturanstieg und -abstieg zu erhalten, wird dieser Wert noch mit einem Verstärkungsfaktor, dem "Gain", verarbeitet. Der bekannte Wert "ISO_Wärmeverlust" aus der Komponente "Wärmeverlust" wird mit der bereitgestellten Heizleistung "HZR_Heizleistung" summiert und anschließend mit der Wärmeenergie multipliziert. Das resultierende Produkt wird integriert, und schließlich wird die Innentemperatur als Ergebnis ausgegeben.
Komponententest
Der Komponententest bildet die erste Testphase nach dem V-Modell ab. In dieser Phase werden die unterschiedlichen Komponenten des Teilsystems isoliert voneinander getestet und auf ihre Funktion überprüft. Eine Komponente ist immer für eine Aufgabe in dem Teilsystem zuständig. Dementsprechend wird in dieser Testphase auf einer der kleinstmöglichen Ebenen getestet. Das Simulink Modell zur Abbildung der Isolierungseigenschaften des Hauses besteht aus vier Komponenten. Die Komponente Flächenberechnung berechnet die Wandfläche und die Fensterfläche. Über die Komponente Wärmeverlust wird der Energieverlust des Hauses berechnet. Die Komponente Wärmekapazität gibt an, wie viel Energie im Haus gespeichert werden kann. Die IstTemp berechnet die Haustemperatur zum Zeitpunkt X. Der Test der Komponenten wurde durch die Gruppe EEZ durchgeführt. Die Testergebnisse werden für jede Komponente (siehe Abbildung 9-11) als Tabelle dargestellt (siehe Tabelle 6-9). Dabei wurden die Komponenten mit plausiblen Eingangsparametern versorgt und das Ergebnis anschließend bewertet.
Flächenberechnung
Eingänge und Parameter
- PAR_LKT_Grundflaeche =
- PAR_LKT_Deckenhoehe =
- PAR_LKT_Fensterflaeche =
Ausgänge
- ISO_FlaecheWand []
- ISO_FlaecheFenster []
| Testfall-ID | Testfall-Name | Anforderungs-ID | Vorbedingungen und Eingänge | Aktionen | Erwartetes Ergebnis | Ergebnis | Bewertung | Kommentar |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 001 | Test auf die Aktualisierung der Dateien | 001 | Software SVN vorbereiten. | Update SVN | ohne Fehlermeldung | ohne Fehlermeldung | i. O. | - |
| 002 | Test auf die Matlab/Simulink Version | 002 | Simulink Version10.5 (R2022a) vorbereite. | Matlab Skript "start.m" mit Matlab R2022a öffnen und run | Haus.slx geöffnet; ohne Fehlermeldung | Haus.slx geöffnet; ohne Fehlermeldung | i. O. | - |
| 003 | Test auf alle Eingänge = 0 | 011 | "Simulinkmodul für daie geteste Komponent erstellt Parameter geladen." | Simulation eines Zeitschritts | ohne Fehlermeldung; alle Ausgänge = 0 | ohne Fehlermeldung; alle Ausgänge = 0 | i. O. | - |
| 004 | Test auf korrekte Formel für ISO_FlaecheFenster | 011 | "Parameter geladen; PAR_LKT_Grundflaeche = 100 m^2; PAR_LKT_Deckenhoehe = 2,5 m; PAR_LKT_Fensterflaeche = 25; | Simulation eines Zeitschritts | ISO_FlaecheFenster = 25 m^2; | ISO_FlaecheFenster = 25 m^2; | i. O. | - |
| 005 | Test auf korrekte Formel für ISO_FlaecheWand | 011 | "Parameter geladen; PAR_LKT_Grundflaeche = 100 m^2; PAR_LKT_Deckenhoehe = 2,5 m; PAR_LKT_Fensterflaeche = 25; | Simulation eines Zeitschritts | ISO_FlaecheWand = 75 m^2; | ISO_FlaecheWand = 75 m^2; | i. O. | - |
Tabelle 6: Flächenberechnung
Wärmeverlust
Eingänge und Parameter
- PAR_LKT_Grundflaeche =
- ISO_FlaecheWand =
- ISO_FlaecheFenster =
- PAR_LKT_Temperatur aus Temperaturdaten.mat
- ISO_IstTemp =
- PAR_ISO_WaendeUWert =
- PAR_ISO_DachUWert =
- PAR_ISO_FensterUWert =
- PAR_ISO_BodenUWert =
Ausgänge
- ISO_Waermeverlust [W]
- ISO_TempDiff [°C]
| Testfall-ID | Testfall-Name | Anforderungs-ID | Vorbedingungen und Eingänge | Aktionen | Erwartetes Ergebnis | Ergebnis | Bewertung | Kommentar |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 001 | Test auf die Aktualisierung der Dateien | 001 | Software SVN vorbereiten. | Update SVN | ohne Fehlermeldung | ohne Fehlermeldung | i. O. | - |
| 002 | Test auf die Matlab/Simulink Version | 002 | Simulink Version10.5 (R2022a) vorbereiten. | Matlab Skript "start.m" mit Matlab R2022a öffnen und run | Haus.slx geöffnet; ohne Fehlermeldung | Haus.slx geöffnet; ohne Fehlermeldung | i. O. | - |
| 003 | Test auf alle Eingänge = 0 | 028 | Simulinkmodul für das geteste Komponent erstellt； Parameter geladen. | Simulation eines Zeitschritts | ohne Fehlermeldung; alle Ausgänge = 0 | ohne Fehlermeldung; alle Ausgänge = 0 | i. O. | - |
| 004 | Test auf die PAR_LKT_Temperatur | 047 | "Matlab Skript erstellt; " | Run Matlab Skript | Außentemperatur wird geladen | Außentemperatur wird geladen | i. O. | - |
| 005 | Test auf die ISO_IstTemp | 048 | Definieren Ist-Temperatur “ISO_IstTemp = 25 | Run Matlab Skript | Ist-Temperatur wird definiert und geladen | Ist-Temperatur wird definiert und geladen | i. O. | - |
| 006 | Test auf die ISO_TempDiff | 049 | Parameter geladen; PAR_LKT_Temperatur = 10 °C; ISO_IstTemp = 25 °C; | Simulation eines Zeitschritts | TempDiff = -15 °C； | TempDiff = -15 °C； | i. O. | - |
| 007 | Test des Wärmeverlusts der Wandfläche | 023 | ISO_IstTemp = 25 °C; | Simulation eines Zeitschritts | Waermeverlust = -210,4W | Waermeverlust = -210,4W | i. O. | - |
| 008 | Test des Wärmeverlusts der Fensterfläche | 016 | Parameter geladen; PAR_FlaecheWand = 0; PAR_Flaeche_Fenster = 25; PAR_Grundflache = 0; PAR_LKT_Temperatur = 10 °C; ISO_IstTemp = 25 °C; | Simulation eines Zeitschritts | Waermeverlust = -187,5W | Waermeverlust = -187,5W | i. O. | - |
| 009 | Test des Wärmeverlusts der Bodenfläche | 022 | Parameter geladen; PAR_FlaecheWand = 0; PAR_Flaeche_Fenster = 0; PAR_Grundflache = 100; PAR_LKT_Temperatur = 10 °C; ISO_IstTemp = 25 °C; | Simulation eines Zeitschritts | Waermeverlust = -391,5W | Waermeverlust = -391,5W | i. O. | - |
| 010 | Test des Wärmeverlusts des Dachs | 014 | "Parameter geladen; PAR_FlaecheWand = 0; PAR_Flaeche_Fenster = 0; PAR_Grundflache = 100; PAR_LKT_Temperatur = 10 °C; ISO_IstTemp = 25 °C; | Simulation eines Zeitschritts | Waermeverlust = -391,5W | Waermeverlust = -391,5W | i. O. | - |
Tabelle 7: Wärmeverlust
Wärmekapazität
Eingänge und Parameter
- ISO_FlaecheWand =
- ISO_Grundflaeche =
- ISO_FlaecheFenster =
- PAR_ISO_WaermekapazitaetWand =
- PAR_ISO_WaermekapazitaetDach =
- PAR_ISO_WaermekapazitaetFenster =
- PAR_ISO_WaermekapazitaetBoden =
Ausgänge
- ISO_Waermekapazitaet
| Testfall-ID | Testfall-Name | Anforderungs-ID | Vorbedingungen und Eingänge | Aktionen | Erwartetes Ergebnis | Ergebnis | Bewertung | Kommentar |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 001 | Test auf alle Eingänge = 0 | 032 | Parameter geladen | Simulation eines Zeitschritts | alle Ausgänge = 0 | alle Ausgänge = 0 | i. O. | Keine Anforderung im Lastenheft dazu gefunden |
| 002 | Test auf korrekte Formel, wenn Außentemperatur größer als Innentemperatur ist | 032 | Parameter geladen; ISO_TempDiff=1K | Simulation eines Zeitschritts | ISO_Waermekapazitaet = (ISO_FlacheWand * PAR_ISO_WarmekapazitaetWand + LKT_Grundflaeche * (PAR_ISO_WarmekapazitaetDach + PAR_ISO_WarmekapazitaetBoden) + ISO_FlaecheFenster * PAR_ISO_WarmekapazitaetFenster) * ISO_TempDiff * 0.00028kWh/J = 24,3432kWh | 24,3432 | i. O. | Keine Anforderung im Lastenheft dazu gefunden |
| 003 | Test auf korrekte Formel, wenn Innentemperatur größer als Außentemperatur ist | 032 | Parameter geladen; ISO_TempDiff=-1K | Simulation eines Zeitschritts | ISO_Waermekapazitaet = (ISO_FlacheWand * PAR_ISO_WarmekapazitaetWand + LKT_Grundflaeche * (PAR_ISO_WarmekapazitaetDach + PAR_ISO_WarmekapazitaetBoden) + ISO_FlaecheFenster * PAR_ISO_WarmekapazitaetFenster) * ISO_TempDiff * 0.00028kWh/J = -24,3432kWh | -24,3432 | i. O. | Keine Anforderung im Lastenheft dazu gefunden -> macht eine negative Wärmekapazität Sinn? |
| 004 | Test auf Einheiten | 032 | - | Einheiten der Signale ohne Simulation überprüft | Wärmekapazität laut Wikipedia in J/K | Wärmekapazität in J bzw. kWh, also eine Energie | n. i. O. | Ist der Ausgang dann eher eine Wärmeenergie? https://de.wikipedia.org/wiki/W%C3%A4rmekapazit%C3%A4t |
Tabelle 8: Wärmekapazität
Ist-Temperatur
Eingänge und Parameter
- ISO_Waermekapazitaet =
Ausgänge
- ISO_IstTemp []
| Testfall-ID | Testfall-Name | Anforderungs-ID | Vorbedingungen und Eingänge | Aktionen | Erwartetes Ergebnis | Ergebnis | Bewertung | Kommentar |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 001 | Test auf alle Eingänge = 0 | 048 | Parameter geladen | Simulation eines Zeitschritts | alle Ausgänge = 0 | alle Ausgänge = 0 | i. O. | - |
| 002 | Test auf verbrauchte Leistung größer als Wärmeverlust | 048, 050 | HZT_Verbrauchteleistung = 200 W ISO_Waermeverlust = 100 W | Simulation mehrere Zeitschritte, da Integratorblock genutzt wird | Ausgang ISO_IstTemp steigt an | Ausgang ISO_IstTemp steigt an | i. O. | Gain-Block muss angepasst werden. Temperatur steigt aktuell drastisch an auf unrealistische Werte. Evtl. begrenzen mit Saturationsblock. |
| 003 | Test auf Wärmeverlust größer als verbrauchte Leistung | 048, 050 | HZT_Verbrauchteleistung = 100 W ISO_Waermeverlust = 200 W | Simulation mehrere Zeitschritte, da Integratorblock genutzt wird | Ausgang ISO_IstTemp sinkt ab | Ausgang ISO_IstTemp sinkt ab | i. O. | Gain-Block muss angepasst werden. Temperatur sinkt aktuell drastisch ab auf unrealistische Werte. Evtl. begrenzen mit Saturationsblock. |
Tabelle 9: Ist-Temperatur
Integrationstest
Der Integrationstest stellt die zweite Testphase dar. In diesem Test werden die Komponenten als ein Verbund getestet (Modul). Dabei liegt das Hauptaugenmerk auf der Überprüfung der Korrektheit der Signale und der Erfüllung der Systemanforderungen. Wie zuvor auch, wurde der Modultest von der Gruppe EEZ durchgeführt. Die Testergebnisse werden für das Modul (siehe Abbildung 13) als Tabelle dargestellt (siehe Tabelle 10). Dabei wurde das ganze Teilsystem mit plausiblen Eingangsparametern versorgt und die Ist-Temperatur als einzigen weitergebenden Output bewertet.
| Testfall-ID | Testfall-Name | Anforderungs-ID | Vorbedingungen und Eingänge | Aktionen | Erwartetes Ergebnis | Ergebnis | Bewertung | Kommentar |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 001 | Startbedingungen | - | - | "Initial Condition" des Integratorblocks als Parameter einstellen | - | - | n. i. O. | Parameter anlegen, mit dem die Starttemperatur im Haus eingestellt werden kann: PAR_ISO_IstTempInit |
| 002 | Draußen kälter als Drinnen | 047 | HZT_Verbrauchleistung = 0; LKT_Temperatur = 0°C; PAR_ISO_IstTempInit = 15°C | Simulation eine Sekunde | Haus kühlt ab | Haus wärmt auf | n. i. O. | Den "Gain" im Block IstTemp haben wir auf 0.0001 gesetzt. Hier nochmal checken, was da ein passender Wert ist |
| 003 | Draußen wärmer als Drinnen | 047 | HZT_Verbrauchleistung = 0; LKT_Temperatur = 20°C; | Simulation eine Sekunde | Haus wärmt auf | Haus wärmt auf | i. O. | Den "Gain" im Block IstTemp haben wir auf 0.0001 gesetzt. Hier nochmal checken, was da ein passender Wert ist |
| 004 | Einfluss Heizleistung | 050 | HZT_Verbrauchleistung = 5000W; LKT_Temperatur = 20°C; | Simulation eine Sekunde | Haus wärmt schneller auf | Haus wärmt schneller auf | i. O. | Energiezufuhr (Heizleistung) kommt von HZT, sollte das nicht die Heizleistung von HZR sein? |
| 005 | Test auf Einheiten | - | - | Check ohne Simulation | SI-Einheiten | kWh verwendet | n. i. O. | Im Block IstTemp rechnet ihr mit kWh statt mit Wh. Spielt keine Rolle, wenn der Gain entsprechend angepasst wird, wäre aber sauberer |
| 006 | Heizen im Winter | 050 | HZT_Verbrauchleistung = 10000W; | Langzeitsimulation (10000s) | Haus wärmt sich mit Heizleistung auf | Innentemperatur des Hauses gleicht sich der Außentemperatur an | n. i. O. | - |
Tabelle 10: Integrationstest
Systemtest
Nachdem die Komponenten und das Modul erfolgreich getestet und überarbeitet wurden, wurden für den Systemtest alle Teilsystem zu einem Gesamtsystem „Haus“ zusammengeführt. In dieser Phase wird das gesamte System auf seine Funktionsfähigkeit und Plausibilität überprüft und anschließend bewertet. Dafür wurden alle wichtigen Ausgabeparameter über einen „Scope“ in Matlab Simulink visualisiert. Die Testergebnisse werden in Tabelle 11 aufgeführt.
| Testfall-ID | Testfall-Name | Anforderungs-ID | Vorbedingungen und Eingänge | Aktionen | Erwartetes Ergebnis | Ergebnis | Bewertung | Kommentar |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 001 | Funktionstest des Systems | - | Parameter geladen. | Simulation eines Jahres | Simulation kompiliert und Modell wird simuliert | Simulation kompiliert und Modell wird simuliert | i. O. | - |
| 002 | Funktionstest Heizungsregelung | - | Parameter geladen. | Simulation eines Tages | Output wird generiert | Output wird generiert | i. O. | - |
| 003 | Funktionstest Solltemperatur | - | Parameter geladen. | Simulation eines Tages | Output wird generiert | Output wird generiert | i. O. | - |
| 004 | Funktionstest Stromverbrauch | - | Parameter geladen. | Simulation eines Tages | Output wird generiert | Output wird generiert | i. O. | - |
| 005 | Funktionstest Außentemperatur | - | Parameter geladen. | Simulation eines Tages | Output wird generiert | Output wird generiert | i. O. | - |
| 006 | Funktionstest Stromkosten | - | Parameter geladen. | Simulation eines Tages | Output wird generiert | Output wird generiert | i. O. | - |
| 007 | Funktionstest Wasserverbrauch | - | Parameter geladen. | Simulation eines Tages | Output wird generiert | Output wird generiert | i. O. | - |
| 008 | Funktionstest Personen im Haus | - | Parameter geladen. | Simulation eines Tages | Output wird generiert | Output wird generiert | i. O. | - |
| 009 | Funktionstest PV-Leistung | - | Parameter geladen. | Simulation eines Tages | Output wird generiert | Output wird generiert | i. O. | - |
| 010 | Funktionstest Warmwasserleistung | - | Parameter geladen. | Simulation eines Tages | Output wird generiert | Output wird generiert | i. O. | - |
| 011 | Funktionstest Warmwassertemperatur | - | Parameter geladen. | Simulation eines Tages | Output wird generiert | Output wird generiert | i. O. | - |
| 012 | Funktionstest Netz | - | Parameter geladen. | Simulation eines Tages | Output wird generiert | Output wird generiert | i. O. | - |
| 013 | Funktionstest Heizleistung | - | Parameter geladen. | Simulation eines Tages | Output wird generiert | Output wird generiert | i. O. | - |
| 014 | Funktionstest Warmwasserheißleistung Wärmepumpe | - | Parameter geladen. | Simulation eines Tages | Output wird generiert | Output wird generiert | i. O. | - |
| 015 | Funktionstest Warmwasserheißleistung | - | Parameter geladen. | Simulation eines Tages | Output wird generiert | Output wird generiert | i. O. | - |
| 016 | Funktionstest verbrauchte Leistung | - | Parameter geladen. | Simulation eines Tages | Output wird generiert | Output wird generiert | i. O. | - |
| 017 | Funktionstest Warmwasserspeicher verbrauchte Leistung | - | Parameter geladen. | Simulation eines Tages | Output wird generiert | Output wird generiert | i. O. | - |
| 018 | Funktionstest Isttemperatur | - | Parameter geladen. | Simulation eines Tages | Output wird generiert | Output wird generiert | i. O. | - |
| 100 | Überprüfung der Solltemperatur | - | Parameter geladen. | Simulation eines Jahres | Solltemperatur konstant bei Tag oder Nacht | Wechselnde Temperatur | n. i. O. | Tagsüber sollte 20°C; Nachts 15°C |
| 200 | Überprüfung der PV-Leistung | - | Parameter geladen. | Simulation eines Monats | Wechselnde Einspeiseleistung; Nachts keine Erträge | Wechselnde Einspeiseleistung; Nachts keine Erträge | i. O. | - |
| 300 | Überprüfung der Warmwassleistung | - | Parameter geladen. | Simulation eines Monats | Wechselnde Einspeiseleistung; Nachts keine Erträge | Wechselnde Einspeiseleistung; Nachts keine Erträge | i. O. | - |
| 400 | Überprüfung der Warmwassertemperatur | - | Parameter geladen. | Simulation eines Jahres | Temperatur zwischen 0°C-80°C | bis -11000°C | n. i. O. | - |
| 500 | Überprüfug der Stromkosten je nach Verbrauch | - | Parameter geladen. | Simulation einer Woche | Kosten sind plauibel je nach Stromverbrauch | Stromkosten zu hoch bzw. zu niedrig | n. i. O. | HZT_Verbrauchteleistung flißt nicht mit ein |
| 600 | Szenario Frühling; Herbst Heiz-/Kühlvorgang | - | Parameter geladen. | Simulation eines Jahres (Nur Abschnitt betrachtet) | ISO_IstTemp passt sich plausibel der HZR_Solltemperatur an; HZR_Heizleistung heizt/kühlt bei Abweichung | Temperaturen passen sich an und Regler regelt Leistzung passend | i. O. | Sprünge in Solltemperatur (soll Tagsüber 20°C und Nachts 15°C) |
| 700 | Szenario Winter ; Herbst Heiz-/Kühlvorgang | - | Parameter geladen. | Simulation eines Jahres (Nur Abschnitt betrachtet) | ISO_IstTemp passt sich plausibel der HZR_Solltemperatur an; HZR_Heizleistung heizt/kühlt bei Abweichung | Temperaturen passen sich an und Regler regelt Leistzung passend | i. O. | Sprünge in Solltemperatur (soll Tagsüber 20°C und Nachts 15°C) |
| 800 | Szenario Sommer; Herbst Heiz-/Kühlvorgang | - | Parameter geladen. | Simulation eines Jahres (Nur Abschnitt betrachtet) | ISO_IstTemp passt sich plausibel der HZR_Solltemperatur an; HZR_Heizleistung heizt/kühlt bei Abweichung | enorme Ausreißer bei hohen Temperaturen | n. i. O. | Sobald Außentemperatur oberhalb der Solltemperatur ist, Ergebnisse nicht mehr plausibel; Solltemperatur steigt (Offset LKT herausgenommen); Sprünge in Solltemperatur (soll Tagsüber 20°C und Nachts 15°C) |
| 900 | Überprüfung Ist-Temperatur zur Heizleistung | - | Parameter geladen. | Simulation eines Jahres | ISO_IstTemp verändert sich plausibel je nach zugegebener Leistung | ISO_IstTemp verändert sich plausibel je nach zugegebener Leistung (inklusive Verzögerung der Wärmekapazität des Hauses) | i. O. | Problem der Testfälle 600-800 liegt nicht an der der Ist-Temperatur, sondern an der Solltemperatur |
Tabelle 11: Systemtest
Ergebnisse des getesteten Systems
Nachdem das System getestet wurde, wurde dieses noch einmal leicht überarbeitet. Im Folgenden werden die Ergebnisse der finalen Version dargestellt. In Abbildung 14 wird der Verlauf der Soll-Temperatur, Ist-Temperatur, Außentemperatur und der zugeführten Heizleistung visualisiert. Erkennbar wird, dass die Ist-Temperatur, wie erwartet, sich der Soll-Temperatur anpasst. Zwischenzeitlich sinkt die Soll-Temperatur allerdings auf 11 °C fehlerhaft ab. Die PV Leistung verfolgt einen plausiblen Verlauf mit einem Peak tagsüber. In der Nacht fällt die PV-Leistung auf 0. Zum besseren Verständnis des Tag-Nachtzyklus wird die Außentemperatur in Abbildung 15 ebenfalls dargestellt. Ebenso liefert die Warmwasserleistung einen plausiblen Wert über den Tagesverlauf (siehe Abbildung 16). Wie in Abbildung 17 zu erkennen, liegt die Warmwassertemperatur konstant bei 130 °C. Die Abbildung 18 zeigt, dass die Anzahl der Bewohner im Verlauf eines Tages plausibel variiert. Ebenso werden Urlaubszeiträume in der Simulation mitbrachtet. Der Stromverbrauch in der Simulation steigt kontinuierlich an. Dieses Verhalten ist unabhängig und damit fehlerhaft von der Anzahl der Bewohner im Haus. Nur in den Urlaubszeiträumen (siehe Abbildung 19) steigt der Stromverbrauch nicht.
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Abbildung 14: Überprüfen der Temperaturen und Heizleistung
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Abbildung 15: Überprüfung PV-Leistung
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Abbildung 16: Überprüfung Warmwasserleistung
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Abbildung 17: Überprüfen Warmwassertemperatur
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Abbildung 18: Überprüfung Anzahl Bewohner
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Abbildung 19: Überprüfung Abhängigkeit Anzahl Bewohner und Stromverbrauch
Fazit
Im Rahmen des Studiengangs Business and Systems Engineering wurde im Sommersemester 2023 im Fach Systems Design Engineering das Thema der Simulation des Energiehaushalts eines Hauses behandelt. Der Fokus lag auf der Anwendung des V-Modells, einem bewährten Modell zur Entwicklung technischer Systeme. Der vorliegende Artikel beschreibt die Herangehensweise der Gruppe "ISO - Isoliereigenschaften des Hauses" bei der Bestimmung des Wärmeverlusts, der Wärmekapazität und der Innentemperatur des Hauses. Zudem werden die Herausforderungen, Tests und Erkenntnisse während des Entwicklungsprozesses erläutert, um einen praxisnahen Einblick in die Anwendung des erlernten Wissens zu geben.
Die Seminaraufgabe bestand darin, das V-Modell auf ein Haus als System anzuwenden und das Gesamtsystem in verschiedene Teilsysteme aufzuteilen. Der Entwicklungsprozess umfasste die Anforderungsdefinition, den technischen Systementwurf, die Komponentenspezifikation, die Programmierung/Modellierung mit Matlab/Simulink, sowie den Komponenten- und Integrationstest. Durch die schrittweise Testung der Komponenten und das Zusammenführen zu einem Gesamtsystem wurde ein Softwareentwicklungsprozess durchlaufen, um Fehler zu vermeiden und eine funktionierende Lösung zu gewährleisten.
Die Ergebnisse des getesteten Systems wurden präsentiert und analysiert. Dabei wurde festgestellt, dass die Ist-Temperatur des Hauses der Soll-Temperatur folgt, jedoch zwischenzeitlich einen fehlerhaften Abfall aufweist. Die PV-Leistung und die Warmwasserleistung zeigten einen plausiblen Verlauf über den Tagesverlauf, während die Warmwassertemperatur konstant bei 130 °C lag. Die Anzahl der Bewohner variierte realistisch im Verlauf eines Tages, wobei auch Urlaubszeiträume in der Simulation berücksichtigt wurden.
Insgesamt liefert der Artikel einen Einblick in die Anwendung des V-Modells auf den Energiehaushalt eines Hauses. Die Beschreibung der einzelnen Entwicklungsphasen, der durchgeführten Tests und der erreichten Ergebnisse vermittelt das Verständnis für eine praxisorientierte Herangehensweise an die Entwicklung technischer Systeme. Es wurde insgesamt ein funktionierendes Gesamtsystem entwickelt und meist plausible Simulationsergebnisse erreicht, wodurch es möglich ist den Energiehaushalt eines Hauses zu simulieren. Durch die Identifizierung von Fehlern und die Analyse der Testergebnisse konnten wertvolle Erkenntnisse gewonnen werden, um das System weiter zu verbessern und energieeffizientere Lösungen zu entwickeln.
Literaturverzeichnis
→ zum Hauptartikel: Systems Design Engineering - Seminaraufgabe SoSe 2023: Energiehaushalt eines Hauses