Universität Stuttgart Institut für Kernenergetik und Energiesysteme LE P MuSofT Erkundungsumgebung Entwicklung eines komponentenbasierten Systems WS 03/04

Universität Stuttgart

Institut für Kernenergetik und Energiesysteme

LE P MuSofT Erkundungsumgebung „Entwicklung eines komponentenbasierten Systems” WS 03/04

Versuch 1. Was wollen wir tun - das Pflichtenheft

Einfluss der Modellierung am Beispiel der Gebäudesimulation

Ziel: Erstellung des Pflichtenheftes für das Praktikum

Schritt 1 Das Problem - Einführung mit Video Anforderungsdefinition

Schritt 2 Beschreibung der Aufgabe (Lastenheft)

Schritt 3 Erstellung eines Pflichtenheftes als Teil des Projekthandbuches

Vertiefende Informationen

Lernmodul KS-V1 Modelle




Modellierungstufen

physikalisches Modellphysikalisches Modell

mathematisches Modellmathematisches Modell

numerisches Modellnumerisches Modell

SimulationsmodellSimulationsmodell

Quantifizieren

Diskretisieren

Implementieren

Reale Komponente

Verhalten

Par

amet

er

Verhalten

Par

amet

er

Verhalten

Par

amet

erVerhalten

M O

D E

L L

I E

R U

N G




Physikalisches Modell: Energiebilanz-Raum

ZUm ABm

PQ MQBQ

SQ

HQ

KQ

FLm

RaumRaum

0 LeitkurzLangKonv QQQQ

WandQ

SFLKHRLTMPBWand QQQQQQQQQQ

LatRLTLatMLatPLatFLLat QQQQQ ,,,,

Außenwand:Außenwand:

Raum (Konvektion Raum (Konvektion und Strahlung):und Strahlung):

Raum (Latent):Raum (Latent):

kurzQ

KonvQ LangQLeitQ




Mathematische Modelle für die Energiebilanz

• Statische Verfahren (steady state)

– Lastberechnungen

• Erweiterte statische Verfahren (enhanced stady state)

– DIN V 4108 - 6

– DIN EN 832

• Dynamische Verfahren (non-stationary, transient)

– Differenzen und Finite-Elemente-Verfahren

– Response-Faktoren (Gewichtsfaktoren)

– Beuken-Modell

– Regeltechnisches-Ersatzmodell




Merkmale der statischen Verfahren

• Statische Verfahren (Lastberechnungen)

– Basierend auf Daten eines Gradtages

– Keine Berücksichtigung der Wärmespeicherfähigkeit des Gebäudes

• Erweiterte statische Verfahren (DIN V 4108 -6, DIN EN 832)

– Basierend auf Monatsmittelwerten

– Berücksichtigung der passiven Energielasten und Wärmespeicherfähigkeit des Gebäude durch sog. monatlichen Ausnützungsgrad




Merkmale der dynamischen Verfahren

• Differenzen und Finite-Elemente Verfahren

– Diskretisierung des Differentialgleichungsystems

– Eindimensionaler Wärmestrom

• Response-Faktoren (Gewichtsfaktoren)

– Bestimmung des Übertragungsverhaltens des Raumes

– Kopplung der Übertragungsfunktionen mit Eingangsgrößen

– Zeitinvariantes Verhalten

– Superpositionsprinzip

• Beuken-Modell

– Elektrisches Analogiemodell (Formale Übereinstimmung der Differentialgleichungen der Wärmeleitung und Potentialgleichung für idealisiertes Kabel)

• Regeltechnisches Ersatzmodell




Entwicklung des Problemverständnisses

• Identifikation der wichtigsten Parameter

– Parametervariation bei einem Verfahren

• Vergleich verschiedener zeitlicher Auflösungen

– Grenzen der Modellierung bei vorgegebenen Parametern




Beispielgebäude




Beispielgebäude-Datenblatt

Außenwände:Fläche

[m²]Fensteranteil

[%]k-Wert

[W/(m²*K)]

Südwand: 20,165 13,69 1,333

Westwand: 30,735 17,89 1,333

Nordwand: 20,165 14,88 1,333

Ostwand: 30,735 6,51 1,333

Flachdach: 74,74 0 0,8

Fundament 74,74 - 0,31

Wohnraumvolumen: V = 186,85 m³

Lüftungsrate: a zwischen 0 und 2.0 1/h

Interne Wärmegewinne: QI zwischen 0 und 10.0 W/m²

Soll-Innentemperatur: zwischen 5 und 30.0 °C

Außentemperatur: Nach Testreferenzjahr für die Region Franken u. nördlichesBaden-Württemberg (Region 5)

Bodentemperatur: 8 °C

Stoffwerte: Luft = 1,188 kg/m³ cLuft = 1,005 kJ/(kg*K)




Physikalisches Modell

Zonenweise stationäre Energiebilanz bei vorgegebener Soll-Innentemperatur

Q Q Q Q QT L I S




Mathematisches Modell

Transmissionsverluste:

Lüftungsverluste:

Interne Wärmegewinne:

dtTTAktQ aiT )()(

dtTTcVatQ aiL )()(

dtAQtQ II )(

Mittlere interne Wärmegewinne auf der Basis eines durchschnittlichen 2,7-Personenhaushaltes bezogen auf die Wohnraumfläche

:IQ

Statisches Verfahren auf monatlicher Basis mit folgenden Gleichungen:

Solare Wärmegewinne:F bedeuten Abminderungsfaktoren für Verschattung, Sonnenschutz und Rahmenanteil

dtFFFAItQ FCSS )(




Numerisches Modell

Transmissionsverluste:

Lüftungsverluste:

Interne Wärmegewinne:

Solare Gewinne: Ausnutzungsgrad:

Q k A T T tT i a ( )

Q a V c T T tL i a ( )

tAQQ II

, dann sind die obigen Gleichungen für jeden Monat zu lösen und die monatlichen Werte von Q aufzusummieren

Stationäres Punktmodell

Monatt 1

tFFFAIQ FCSs

1 wenn,1

1 wenn ,1

11

a

a

a

a




Mögliches Lastenheft für Praktikum 2003/04

• Erweiterung eines Programmes zur Berechnung des Verlaufs des Wärmebedarfs über ein Jahr auf der Basis einer monatlichen stationären Energiebilanz bei einer konstanten Soll-Innentemperatur.

• Berücksichtigt werden sollen Transmission, Lüftung, solare und interne Wärmegewinne.

• Soll-Innentemperatur, Lüftungsrate und Nutzungsgrad sollen variabel sein.

• Für jeden Zeitschritt soll der monatliche Wärmebedarf, sowie dessen Anteile an Transmission, Lüftung und interner Wärmegewinne berechnet und visualisiert werden.

• Für den gesamten Berechnungszeitraum sollen die Summenwerte auf dem Bildschirm ausgegeben werden.

• In diesem Praktikum soll eine zweite, beheizte Zone eingeführt werden




Praktikumsaufgaben - Block 1

• Erstellen Sie eine Liste der Aufgaben (Pflichtenheft) für die folgenden Tage

• Verwenden Sie folgende Vorlagen

– Ablaufmodell Praktikum in ProModUP

– Vorlage Pflichtenheft Praktikum (lokal)

• Text: Wie setzt man Use Cases ein

Documents

Universität Stuttgart Institut für Kernenergetik und Energiesysteme LE P MuSofT Erkundungsumgebung Entwicklung eines komponentenbasierten Systems WS 03/04