Haus Parameter Umwelt

Autoren: Sophie Koerner, Dorothea Tege

Bild 1: Energiehaushalt eines Beispielhauses

Einleitung

Im Rahmen des Studiengangs „Business and Systems Engineering“ (BSE) wird in der Lehrveranstaltung „System Design Engineering“ (SDE) der Energiehaushalt eines Hauses über ein Jahr hinweg simuliert. Ziel des Projekts ist es, ein umfassendes Verständnis für die energetischen Prozesse innerhalb eines Gebäudes zu erlangen und praktische Lösungen zur Energieeinsparung zu entwickeln. Das Projekt wurde in mehrere spezialisierte Aufgabenbereiche unterteilt, die von verschiedenen Gruppen bearbeitet werden:

• Regelstrecke
• Klimasystem
• Solarenergiegewinnung
• Energiemanagement

Die Gruppe „Haus Parameter Umwelt“ (HPU) ist für die Erstellung des Hausmodells verantwortlich. Dies beinhaltet die detaillierte Erfassung der physikalischen Struktur des Hauses sowie die Spezifizierung aller relevanten Parameter und Signale, wie die thermischen Eigenschaften der verwendeten Baumaterialien, die Heiz- und Kühllasten sowie den Energieverbrauch und die -erzeugung. Diese Daten bilden die Grundlage für die weiteren Analysen und Simulationen, die im Verlauf des Projekts durchgeführt werden.

Durch die Zusammenarbeit und den Austausch zwischen den Gruppen soll am Ende des Projekts eine ganzheitliche Simulation vorliegen. So können Potenziale zur Verbesserung der Energieeffizienz ermittelt und konkrete Maßnahmen zur Reduzierung des Energieverbrauchs entwickelt werden.

Vorgehensweise nach dem V-Modell

Abb. 1: V-Modell

Das V-Modell ist ein Vorgehensmodell in der System- und Softwareentwicklung. Es gliedert den Entwicklungsprozess in zwei Hauptteile: Planungs- und Spezifikationsphasen sowie Implementierungs- und Testphasen (siehe Abb. 1). Auf der linken Seite des „V" werden die Anforderungen und das Design des Systems festgelegt. Diese Phasen dienen der genauen Spezifizierung der Ziele und Funktionen des Projekts.

Auf der rechten Seite des „V” erfolgt die Umsetzung. Hier werden die definierten Spezifikationen in die Praxis umgesetzt. Zunächst werden die einzelnen Module entwickelt und verifiziert. Danach werden diese Module integriert und das gesamte System wird umfassend getestet. Jede Testphase prüft, ob die vorher definierten Spezifikationen eingehalten wurden, um sicherzustellen, dass das Endprodukt den Anforderungen entspricht.

Das V-Modell bietet eine klare Struktur und hilft, Fehler frühzeitig zu erkennen und zu beheben. Dadurch wird die Qualität des Endprodukts gesichert und das Risiko im Projektverlauf reduziert. Es bietet eine klare Struktur, die Transparenz und Nachvollziehbarkeit im Entwicklungsprozess gewährleistet.

Anforderungsdefinition

Die Anforderungsdefinition dient als Leitplan für ein Projekt. Es werden Anforderungen erstellt, überprüft und freigegeben, die durch den Entwicklungsprozess realisiert werden sollen.

Dabei umfasst die Anforderungsdefinition für das Modul HPU verschiedene wichtige Aspekte, die in der folgenden Abbildung 2 aufgeführt sind. Dazu gehören Grundparameter wie die Größe und Bauart des Hauses, die regionale Lage, sowie Details zu Fenstern und Haustür. Auch der Energieverbrauch des Hauses wird spezifiziert. Ein weiterer Bestandteil ist die Integration von Photovoltaikanlagen.

Für die Visualisierung werden Simulink und MATLAB eingesetzt. Diese Werkzeuge ermöglichen die Simulation aller relevanten Parameter und Signale des Hauses. Durch die Simulation können die verschiedenen Aspekte des Energiehaushalts des Hauses detailliert untersucht und analysiert werden. Zudem werden Anforderungen an die Dokumentation des Projekts festgelegt, um eine umfassende und nachvollziehbare Übersicht zu gewährleisten.

Die oben beschriebenen Anforderungen werden in der folgenden ausklappbaren Abbildung 2 weiter definiert.

Anforderungsliste 

Abb. 2: Anforderungsdefinition

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Abb. 3: Funktionaler Systementwurf des gesamten Hauses

Die Ergebnisdiskussionen fanden jeweils in der Lehrveranstaltung statt. Während diesen Vorlesungen wurden die verschiedenen Aspekte der Systementwürfe umfassend behandelt. Dies ermöglichte eine detaillierte Analyse und Bewertung der vorgestellten Konzepte.

Funktionaler Systementwurf

Der funktionale Systementwurf beschreibt die grundlegenden Anforderungen und Funktionen des Systems. Er legt fest, welche Aufgaben das System erfüllen muss und wie die einzelnen Komponenten zusammenarbeiten. Dieser Entwurf bietet eine Übersicht der Funktionen und ihrer Beziehungen, ohne sich auf die technischen Details der Implementierung zu vertiefen. Für das Projekt „Energiehaushalt eines Hauses" wurde ein entsprechender funktionale Systementwurf erstellt, der in Abbildung 3 veranschaulicht ist.

Technischer Systementwurf

Im Gegensatz dazu befasst sich der technische Systementwurf mit den konkreten technischen Aspekten der Umsetzung. Er umfasst die Auswahl und Spezifikation der verwendeten Technologien, die Architektur der Systemkomponenten und die Integrationstechniken. Der funktionale Systementwurf legt die grundlegenden Anforderungen und Funktionen des Systems fest. Er beschreibt, welche Aufgaben das System erfüllen soll. Außerdem zeigt er, wie die Komponenten miteinander interagieren. Technische Details der Umsetzung werden dabei nicht behandelt.

Komponentenspezifikation

Die Komponentenspezifikation beschreibt die Anforderungen an eine einzelne Systemkomponente. Sie definiert, welche Aufgaben die Komponente erfüllen muss und welche Schnittstellen benötigt werden. Zudem enthält sie Details zum Design, zur Implementierung und zu den Leistungskriterien. Auch der Stromverbrauch, der Warmwasserverbrauch, Umweltfaktoren und das Haus selbst werden integriert und im Folgenden behandelt. Ziel ist es, klare Vorgaben für die Entwicklung und Integration der Komponente zu geben.

Das Modell HPU bezieht während der Simulation keine Parameter oder Signale anderer Gruppen. Es werden ausschließlich Signale und Parameter ausgegeben.

Haus

Eingänge und Ausgänge: Haus 

Tabelle 1: Eingänge und Ausgänge der HPU

Eingänge/Ausgänge	Signale
Eingänge	-
Ausgänge/Parameter	● PAR_HPU_U_Werte_Fenster ● PAR_HPU_U_Werte_Wand ● PAR_HPU_U_Werte_Dach ● PAR_HPU_U_Werte_Bodenplatte ● PAR_HPU_U_Werte_Tueren ● PAR_HPU_A_Flaeche_Wand ● PAR_HPU_A_Flaeche_Dach ● PAR_HPU_A_Flaeche_Bodenplatte ● PAR_HPU_A_Flaeche_Tueren ● PAR_HPU_Masse_Luft ● PAR_HPU_Deckenhoehe ● PAR_HPU_Waermekapazitaet ● PAR_HPU_Dachbreite ● PAR_HPU_Dachlaenge ● PAR_HPU_Dachausrichtung ● PAR_HPU_Dachneigungsued ● PAR_HPU_Dachneigungwest ● PAR_HPU_Dachneigungost ● PAR_HPU_Wohnflaeche ● PAR_HPU_Solltemperatur ● PAR_HPU_Raumtemperatur_Initial

Die Komponentenspezifikation des Hauses bildet die Grundlage für die Simulation und ist in der Abbildung 4 definiert. Das Modell des Hauses enthält, wie in der Tabelle 1 dargestellt, keine Eingangssignale. Vielmehr werden die Parameter durch das Haus selbst generiert. Die relevanten Werte werden in einer separaten Tabelle berechnet. Alle Parameter für die Simulation werden zu Beginn festgelegt und sind während des Simulationsverlaufs konstant. Die Ausgabewerte und Parameter, die in der Tabelle 1 definiert sind, werden über das Bussystem bereitgestellt und stehen den anderen Gruppen zur Verfügung.

Komponentenspezifikation: Haus 

Abb. 4: Komponentenspezifikation: Haus

Stromverbrauch

Eingänge und Ausgänge: Stromverbrauch 

Tabelle 2: Eingänge und Ausgänge des HPU Stromverbrauchs

Eingänge/Ausgänge	Signale
Eingänge	-
Ausgänge	● HPU_Stromverbrauch
Parameter	● PAR_HPU_Einspeiseverguetung

Die Komponentenspezifikation zum Stromverbrauch des Hauses umfasst die detaillierte Simulation des Energieverbrauchs über den Verlauf eines Tages. In der Abbildung 5 wird gezeigt, wie die Simulation mit einer definierten Schrittweite T durchgeführt wird. Die Simulation erfasst den Stromverbrauch als ein Signal, das den Tagesablauf abbildet.

Wie in der Tabelle 2 ersichtlich, werden für diese Simulation keine Eingangswerte benötigt. Stattdessen werden die relevanten Parameter direkt aus dem simulierten Stromverbrauch abgeleitet. Diese Werte werden in einer zusätzlichen Tabelle dokumentiert und müssen zu Beginn des Prozesses definiert und in den Look-up Table eingefügt werden. Dadurch können verschiedene Szenarien und ihre Auswirkungen auf den Stromverbrauch zuverlässig untersucht werden. Das resultierende Ausgabesignal „HPU_Stromverbrauch“ bildet den gesamten Stromverbrauch des Haushalts ab. Dieser wird über das BUS-System an die anderen Gruppen weitergeleitet. Dieses Signal liefert essentielle Informationen zur Analyse und Optimierung des Energieverbrauchs und unterstützt die Planung und Umsetzung von Maßnahmen zur Energieeinsparung.

Komponentenspezifikation: Stromverbrauch 

Abb. 5: Komponentenspezifikation: Stromverbrauch

Warmwasserverbrauch

Eingänge und Ausgänge: Warmwasserverbrauch 

Tabelle 3: Eingänge und Ausgänge des HPU Warmwasserverbrauchs

Eingänge/Ausgänge	Signale
Eingänge	-
Ausgänge	● HPU_Warmwasserverbrauch
Parameter	-

Die Komponentenspezifikation des Warmwasserverbrauchs (siehe Abb. 6) umfasst eine detaillierte Simulation des täglichen Verbrauchs, die ebenfalls mit einer definierten Schrittweite T durchgeführt wird. Die Simulation bildet den Warmwasserverbrauch über den Verlauf eines Tages als kontinuierliches Signal ab. Wie in der Tabelle 3 gezeigt, gibt es keine Eingangswerte und keine spezifischen Parameter. Alle benötigten Informationen werden direkt aus den simulierten Verbrauchsdaten generiert. Ähnlich wie beim Stromverbrauch werden die relevanten Werte zunächst in einer zusätzlichen Tabelle definiert. Diese Tabelle wird zu Beginn der Simulation in einen Look-up-Table eingelesen.

Für die Verarbeitung der Signale müssen die entsprechenden Datentabellen über MATLAB-Anwendungen in die Simulation eingelesen werden. Das resultierende Ausgabesignal, „HPU_Warmwasserverbrauch“, wird über ein Bussystem weitergeleitet und den anderen Gruppen zur Verfügung gestellt. Dieses Signal liefert wichtige Daten zur Analyse des Warmwasserverbrauchs und dient der Optimierung des Gesamtenergiehaushalts im Kontext des Projekts.

Komponentenspezifikation: Warmwasserverbrauch 

Abb. 6: Komponentenspezifikation: Warmwasserverbrauch

Umweltfaktoren

Eingänge und Ausgänge: Umweltfaktoren 

Tabelle 4: Eingänge und Ausgänge des HPU Umweltfaktoren

Eingänge/Ausgänge	Signale
Eingänge	-
Ausgänge	● HPU_Sonnenintensitaet ● HPU_Azimuthwinkel ● HPU_Azimuthwinkel ● HPU_Aussentemperatur_Ist
Parameter	-

Die Komponentenspezifikation für Umwelteinflüsse (siehe Abb. 7) simuliert Sonne und Temperatur mit einer Schrittweite T. Die Simulation erfasst stündliche Daten über einen Zeitraum von einem Jahr. Wie in der Tabelle 4 dargestellt, werden keine Eingangssignale und keine spezifischen Parameter verwendet. Die Signale basieren auf historischen Daten des Deutschen Wetterdienstes. Diese Daten umfassen die Sonnenintensität „HPU_Sonnenintensitaet“, den Azimutwinkel „HPU_Azimuthwinkel“ und den Höhenwinkel „HPU_Hoehenwinkel“, die in historischer zeitlicher Auflösung abgebildet werden.

Der Tagesverlauf der Sonnenintensität und Temperatur wird jeweils in einem Look-up-Table simuliert. Die entsprechenden Datentabellen sind wie in der Abbildung beschrieben zu finden. Für die Sonnenwinkel wurden Datentabellen erstellt, die stündlich über das Jahr hinweg Werte für „HPU_Azimuthwinkel“ und „HPU_Hoehenwinkel“ bereitstellen. Diese Tabellen müssen über MATLAB-Anwendungen in die Simulation eingelesen werden, wobei die Daten beim Start automatisch geladen werden.

Die simulierten Signale „HPU_Sonnenintensitaet“, „HPU_Azimuthwinkel“, „HPU_Hoehenwinkel“ und „HPU_Außentemperatur_Ist“ werden über ein Bussystem bereitgestellt und liefern wesentliche Umweltdaten für die weitere Analyse und Optimierung durch die anderen Gruppen.

Komponentenspezifikation: Umweltfaktoren 

Abb. 7: Komponentenspezifikation: Umweltfaktoren

Umsetzung

Die Umsetzung der Komponentenspezifikation wird mithilfe von MATLAB und Simulink realisiert. MATLAB wird zur Entwicklung der mathematischen Modelle und Algorithmen genutzt, die die Funktionen der einzelnen Komponenten festlegen. Simulink dient dazu, diese Modelle visuell darzustellen und zu simulieren. Durch die Kombination dieser Tools können die Anforderungen an die Komponente präzise umgesetzt und ihre Leistung unter verschiedenen Bedingungen getestet werden.

Abb. 9: Übersicht über HPU Simulink-Modell für einen Tag

Die Gesamtübersicht des HPU-Simulink-Modells ist in der Abbildung 9 dargestellt. Das Modell gliedert sich in zwei Hauptbereiche: die wiederholende Simulation über einen Tag sowie die wiederholende Simulation über ein Jahr. Die gesamte Simulation wird in der SI-Einheit Sekunde als Zeit simuliert.

Übersicht über HPU Simulink-Modell für einen Tag 

Abb. 10: Übersicht über HPU Simulink-Modell für einen Tag

In der wiederholenden Simulation über einen Tag (siehe Abb. 10) wird eine Schleife verwendet. Pro Schleifen-Durchlauf wird eine Sekunde zu dem im Memory-Block gespeicherten Wert addiert. Der Wert wird in jedem Schleifen-Durchlauf mit dem Sekundenwert eines Tages (86400s) verglichen. Wenn der addierte Wert den Wert eines Tages überschreitet, wird durch einen Switch-Block der Memory-Wert zurückgesetzt und die Tagessimulation beginnt erneut bei 0. Dieser Ablauf wiederholt sich so lange, bis die Simulationszeit beendet wird. Das Ausgangssignal aus Schleife wird in dem Look-up-Table der zu simulierenden Komponenten gegeben. Der Look-up-Table gibt anschließend ein Signal mit den Werten der simulierten Komponente aus. Das Signal wird über ein BUS-System als Ausgangswert für das Haus zur Verfügung gestellt.

Übersicht über HPU Simulink-Modell für ein Jahr 

Abb. 11: Übersicht über HPU Simulink-Modell für ein Jahr

Die wiederholende Simulation über ein Jahr (siehe Abb. 11) ist simultan zur wiederholenden Simulation über einen Tag aufgebaut. Überprüft wird hier jedoch nicht der Sekundenwert eines Tages, sondern der Sekundenwert eines Jahres (365*86400s). Durch die Schleife können so auch Simulationen generiert werden, die über ein Jahr hinaus gehen.

Wenn die Stop Time der Simulation erreicht ist, wird durch die stop.m Datei automatisch ein Plot geöffnet, der die simulierten Ergebnisse der Komponenten aufzeigt.

Ergebnis

Der Quelltext für den Plot der Ergebnisse im Modul HPU ist unten stehend abgebildet. Diesee wird automatisch nach Beendigung der Simulation durch die stop.m Datei aufgerufen.

%% Plot zu HPU

% Zeichnen der Graphen
figure

% Erstes Diagramm: Stromverbrauch (5 Zeilen, 1 Spalte, 1. Position)
subplot(5, 1, 1)
plot(haus.t, haus.HPU_Stromverbrauch, 'r-'); 
hold on
title('Ergebnis: Stromverbrauch');
xlabel('Zeit [s]');
ylabel('Stromverbrauch [kW/h]');
legend({'Stromverbrauch'});
hold off

% Zweites Diagramm: Warmwasserverbrauch(5 Zeilen, 1 Spalte, 2. Position)
subplot(5, 1, 2)
plot(haus.t, haus.HPU_Warmwasserverbrauch, 'r-'); 
hold on
title('Ergebnis: Warmwasserverbrauch');
xlabel('Zeit [s]');
ylabel('Warmwasserverbrauch [L/s]');
legend({'Warmwasserverbrauch'});
hold off

% Drittes Diagramm: Sonnenintensität (5 Zeilen, 1 Spalte, 3. Position)
subplot(5, 1, 3)
plot(haus.t, haus.HPU_Sonnenintensitaet, 'r-');
hold on
title('Ergebnis: Sonnenintensität');
xlabel('Zeit [s]');
ylabel('Sonnenintensität [W/s]');
legend({'Sonnenintensität'});
hold off

% Viertes Diagramm Sonnenwinkel: Azimuthwinkel und Höhenwinkel (5 Zeilen, 1 Spalte, 4. Position)
subplot(5, 1, 4)
p1 = plot(haus.t, haus.HPU_Azimuthwinkel, 'r-');
hold on
p2 = plot(haus.t, haus.HPU_Hoehenwinkel, 'g-');
hold on
title('Ergebnis: Azimuth- und Höhenwinkel');
xlabel('Zeit [s]');
ylabel('Winkel [°]');
legend([p1, p2],{'Azimuthwinkel', 'Höhenwinkel'});
hold off

% Fünftes Diagramm Temperatur: Außentemperatur_Ist und Soletemperatur_Ist (5 Zeilen, 1 Spalte, 5. Position)
subplot(5, 1, 5)
p1 = plot(haus.t, haus.HPU_Aussentemperatur_Ist, 'r-');
hold on
p2 = plot(haus.t, haus.HPU_Soletemperatur_Ist, 'g-');
hold on
title('Ergebnis: Außen- und Soletemperatur');
xlabel('Zeit [s]');
ylabel('Temperatur [°C]');
legend([p1, p2],{'Außentemperatur_Ist', 'Soletemperatur_Ist'});
hold off

Abb. 12: Ergebnis-Plot der HPU Simulation

Die Abb. 12 zeigt die fünf Diagramme zu den simulierten Ausgangssignalen, die in der HPU-Simulation generiert wurden. Diese Signale sind zentrale Parameter, die für die Analyse und Optimierung des Energiehaushalts eines Hauses von entscheidender Bedeutung sind.

Der erste Graph veranschaulicht den Stromverbrauch des Hauses über die simulierte Zeitspanne. Diese Darstellung bietet eine detaillierte Analyse des Verbrauchs pro Sekunde und reflektiert die verschiedenen Aktivitäten sowie Gerätebenutzung im Haushalt. Der zweite Graph stellt den Warmwasserverbrauch dar, der ebenfalls in einer zeitlichen Darstellung abgebildet ist. Diese Daten sind unerlässlich für die Dimensionierung des Warmwasserspeichers im Modul Klimasystem.

Der dritte Graph simuliert die Intensität der Sonneneinstrahlung, die bei der Bewertung von Solar- und Photovoltaikanlagen eine wichtige Rolle spielt. Die Schwankungen der Intensität werden dabei im Verlauf des Tages und über das Jahr hinweg erfasst. Im vierten Graph werden der Azimuth- und Höhenwinkel der Sonne veranschaulicht. Diese Winkel beschreiben die Position der Sonne relativ zum Erdoberfläche und sind wichtig für die Berechnung des solaren Energieeintrags und die Optimierung der Verschattung. Schließlich stellt der letzte Graph die Außentemperatur sowie die Solartemperatur dar. Diese Informationen sind entscheidend für die Berechnung des Heiz- und Kühlbedarfs des Hauses sowie die Effizienz von Solaranlagen.

Die Daten der Graphen werden in Sekundenschritten aufgezeichnet und ermöglicht eine präzise Analyse dieser Datenwerte. Diese Ergebnisse sind von zentraler Bedeutung für die Entwicklung von Maßnahmen zur Verbesserung der Energieeffizienz des gesamten Hauses. Durch die Berücksichtigung von tages- und jahreszeitlichen Variationen wird eine umfassende Bewertung der Energieeffizienz ermöglicht. Die bereitgestellten Signale werden über ein BUS-System bereitgestellt, sodass diese von anderen Gruppen zur Durchführung weiterer Analysen und Optimierungen genutzt werden können.

Zusammenfassung

Die vorliegende Simulation untersucht den Energiehaushalt eines Hauses unter Berücksichtigung verschiedener Parameter und Umwelteinflüssen. Im Rahmen des Projekts werden wesentliche Komponenten wie Stromverbrauch, Warmwasserverbrauch, Sonnenintensität, Sonnenwinkel (Azimuth- und Höhenwinkel) sowie Außen- und Soletemperatur modelliert und analysiert. Diese Simulation wird mithilfe von Matlab und Simulink durchgeführt und bildet detailliert tages- und jahreszeitlichen Variationen ab.

Die erfassten Daten bieten einen Grundlage für die energetische Analyse und Optimierung der Hauses. Durch die detaillierten Darstellungen der Verbrauchsmuster und Umweltbedingungen wird die Effizienz von Heizungs- und Klimaanlagen sowie von solaren Energiesystemen präzise bewertet. Besonders die Analyse der Sonneneinstrahlung auf die solaren Energiesysteme und der damit verbundene Sonnenwinkel liefern wertvolle Einblicke in die Potenziale und Herausforderungen der Nutzung von erneuerbaren Energien.

Die Datenergebnisse, die über ein Bus-System geteilt werden, fördern eine interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen den Gruppen und unterstützen die Entwicklung von Maßnahmen zur Energieeinsparung. Die Simulation verdeutlicht, dass präzise Datenerfassung unerlässlich ist, um fundierte Entscheidungen in der Planung und Optimierung des Hauses zu treffen. Insgesamt liefert das Projekt einen wesentlichen Beitrag zur nachhaltigen Gestaltung des Hauses und zur Reduzierung des Energieverbrauchs.

Diese Simulation des Hauses kann nun dafür verwendet werden unterschiedliche Hausarten, Dämmungsformen sowie Ausrichtungen und vieles mehr zu simulieren. Alle Parameter und Signale können für diese individuelle Simulationen angepasst werden. Zukünftig kann hiermit der eigene Energieverbrauch im eigenen Haushalt erfasst und bestenfalls optimiert werden.

Arbeitsergebnisse

Die vollständigen Unterlagen, die alle Details zur Durchführung der Arbeiten enthalten, sind in SVN im unten aufgeführten Ordner abgelegt. Dieser Ordner umfasst alle relevanten Dokumente, die für die Nachvollziehbarkeit und Prüfung der Arbeitsergebnisse erforderlich sind. Alle Daten und Dokumente sind sorgfältig organisiert, um eine umfassende Einsicht in die durchgeführten Schritte und Ergebnisse zu ermöglichen.

• Haus Parameter Umwelt

Literaturverzeichnis

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