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
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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
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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
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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
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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
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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
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Entwicklung des Problemverständnisses
• Identifikation der wichtigsten Parameter
– Parametervariation bei einem Verfahren
• Vergleich verschiedener zeitlicher Auflösungen
– Grenzen der Modellierung bei vorgegebenen Parametern
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Beispielgebäude
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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)
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Physikalisches Modell
Zonenweise stationäre Energiebilanz bei vorgegebener Soll-Innentemperatur
Q Q Q Q QT L I S
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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 )(
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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
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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
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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