Regelstrecke

Autoren: Johann Kismann, Oliver Scholze

Einleitung

Im Studiengang "Business and Systems Engineering" wird in der Veranstaltung "System Design Engineering" der Energiehaushalt eines Hauses über ein Jahr simuliert.

Um diese Simulation präzise und detailliert durchzuführen, werden verschiedene Subsysteme gebildet. In diesem Fall wird die Regelstrecke des Hauses untersucht. Diese dient dazu, die Raumtemperatur in Abhängigkeit von verschiedenen Einflüssen zu bestimmen und den anderen Subsystemen zur Verfügung zur stellen.

Vorgehensweise nach dem V-Modell

Das V-Modell beschreibt einen strukturierten Ansatz zur Systementwicklung, der in verschiedene Phasen unterteilt ist. Jede Phase der Entwicklung wird durch eine entsprechende Testphase auf der gegenüberliegenden Seite des "V" überprüft, beginnend mit der Anforderungsdefinition bis hin zur Programmierung und dem abschließenden Abnahmetest. Dies gewährleistet, dass jede Komponente gründlich spezifiziert, entwickelt und getestet wird, bevor sie in das Gesamtsystem integriert wird.

Anforderungsdefinition

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Komponentenspezifikation

Die Komponentenspezifikation definiert die Anforderungen und Eigenschaften einzelner Systemkomponenten, die für deren Entwicklung und anschließenden Komponententest erforderlich sind.

In diesem Fall werden zwei Komponenten beschrieben: Berechnung der Raumtemperatur und die Rollladensteuerung.

Berechnung der Raumtemperatur

In der Heiz- und Klimatechnik ist die genaue Berechnung der Wärmeverluste eines Gebäudes von zentraler Bedeutung, um den Energiebedarf effizient zu planen und die Raumtemperatur auf einem komfortablen Niveau zu halten. Die Transmissionswärmeverluste, die durch die Gebäudehülle auftreten, spielen hierbei eine wesentliche Rolle. Diese Verluste entstehen, wenn Wärme durch Wände, Fenster, Dächer und andere Bauteile nach außen entweicht.

Das vorliegende Schema mit den angegeben Formeln veranschaulicht die Schritte zur Berechnung der Transmissionswärmeverluste unter Berücksichtigung verschiedener Einflussfaktoren:

$\Phi_T = \Delta \vartheta \cdot \sum A_i \cdot u_i$ <ref>Springer Fachmedien Wiesbaden GmbH, 2024. Energieeffizientes Bauen. Taschenbuch. 18. April 2024. 334 Seiten. ISBN 978-3-658-41588-4.<\ref>

Beschreibung:	Variablen:
Transmissionswärmeverluste	$\Phi_T \, [\text{W}]$
Fläche des i-ten Bauteils (Wand, Fenster, Dach, Bodenplatte und Türen)	$A_i \, [\text{m}^2]$
Wärmedurchgangskoeffizient des i-ten Bauteils (Wand, Fenster, Dach, Bodenplatte und Türen)	$u_i \, [\text{W}/(\text{m}^2 \cdot \text{K})]$
Temperaturdifferenz	$\Delta \vartheta \, [\text{K}]$

$Q = Heizleistung + Sonnenleistung - Transmissionswärmeverluste$

$\Delta T = \frac{Q}{c_p \cdot m }$

Beschreibung:	Variablen:
Temperaturänderung	$\Delta T \, [\text{K}]$
Zugeführte Wärmeenergie	$Q \, [\text{J}]$
Spezifische Wärmekapazität der Luft	$c_p \, [\text{J}/(\text{kg} \cdot \text{K})]$
Masse der Luft	$m \, [\text{kg}]$