Regelstrecke

Autoren: Johann Kismann, Oliver Scholze

Einleitung

Abb. 1: Darstellung des Regelkreises

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

Abb. 1: 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

Die folgende Tabelle zeigt exemplarisch einige Anforderungen und Informationen, die für die Simulation der Innentemperatur eines Raumes wichtig sind. Diese Tabelle dient als Auszug aus einer detaillierteren Tabelle, die alle relevanten Anforderungen und Informationen enthält. Für die vollständige Tabelle klicken Sie bitte HIER.

Tabelle 1: Anforderungen und Informationen

ID	Typ (I = Info, A = Anforderung)	Kapitel	Inhalt
-	I	2	Grundlegendes Verhalten der Simulation
005	A	2	Der Status der Rollläden muss entsprechend des Wetters und der Temperatur aktualisiert werden.
007	A	2	Die Innentemperatur muss abhängig von den Eingangseinflüssen simuliert und übermittelt werden.
-	I	3	Reaktion auf Umwelteinflüsse
009	A	3	Ist die Temperatur des Raumes über 25°C, so muss die Rolllade herunterfahren.
010	A	3	Ist die Rolllade unten und die Raumtemperatur geringer als 25°C, so muss die Rolllade hochfahren.

Funktionaler Systementwurf/Technischer Systementwurf

Die relevante Diskussion der Ergebnisse fand während der Vorlesung statt und ist in den entsprechenden Lehrmaterialien festgehalten. Zur besseren Verständlichkeit werden die Systementwürfe kurz erläutert:

• Funktionaler Systementwurf

Im funktionalen Systementwurf liegt der Schwerpunkt auf der Festlegung der Funktionen und Verhaltensweisen eines Systems. Dabei werden die Anforderungen an das System analysiert und in funktionale Spezifikationen überführt.

• Technischer Systementwurf

Der technische Systementwurf beschäftigt sich mit der praktischen Umsetzung der im funktionalen Entwurf definierten Anforderungen und Funktionen. Hier liegt der Fokus auf der Implementierung des Systems, einschließlich der Festlegung der Architektur, der Komponenten und ihrer Interaktionen.

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

Abb. : Vorgehensweise zur 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.

Eingang
Die Eingänge sind zum einen die Hausparameter und zum anderen die Heizleistungen. Die Vollständige Liste der Eingänge ist HIER zu finden.

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

$\Phi_T = \Delta \vartheta \cdot \sum A_i \cdot u_i$

mit:

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 (Innen- und Außentemperatur)	$\Delta \vartheta \, [\text{K}]$

Anschließend wird die tatsächliche Heizleistung berechnet. Diese ergibt sich durch die folgende Formel:

$P = Heizleistung + Sonnenleistung - Transmissionswärmeverluste$

Die Sonnenleistung wird je nach Anforderungen und der aktuellen Raumtemperatur durch die Rollläden hinzu- oder weggeschaltet. Überschreitet die Raumtemperatur 25°C, fahren die Rollläden herunter, wodurch die Sonnenleistung auf null gesetzt wird. Daraufhin wird die Heizleistung durch einen Integrator in Wärmeenergie bzw. Heizenergie umgewandelt. Mit der Heizenergie Q kann die Temperaturdifferenz berechnet werden:

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

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	$m \, [\text{kg}]$

Im letzten Schritt wird die Temperaturdifferenz zur letzten Raumtemperatur addiert. Ist dies jedoch der erste Durchlauf des Modells, so wird die Starttemperatur als Raumtemperatur verwendet. Dazu wird ein Schalter mit einer entsprechenden Anweisung verwendet.

Ausgang
Die Komponente besitzt den Ausgang RSH_Raumtemperatur_Ist.

Rollladensteuerung

Die Rollläden sollen in Abhängigkeit von der Raumtemperatur automatisch geöffnet und geschlossen werden.

Eingang
Die Komponente besitzt den Eingang RSH_Raumtemperatur_Ist.

Logic/Berechnung
Die Rollläden werden abhängig von der Raumtemperatur gesteuert. Wenn die Temperatur über 25°C liegt, fahren die Rollläden herunter. Um dies zu realisieren, wird eine If-Else-Anweisung verwendet, die die Signale vergleicht. In Simulink wird dafür ein Schalter mit einer entsprechenden Anweisung eingesetzt.

Ausgang
Der Ausgang RSH_Status_Rolladen kann zwei Zustände annehmen:

• 0: Rollläden geschlossen
• 1: Rollläden geöffnet

Arbeitsergebnisse

Die vollständigen Unterlagen zu der Durchführung befinden sich im SVN in folgendem Ordner:

• Regelstrecke

Literaturverzeichnis

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