Masterarbeit David Jansen

 

Vergleich von Simulationsmodellen unterschiedlichen Detaillierungsgrades und Entwicklung eines Cloud-Computing-Ansatzes zur Untersuchung komplexer Gebäudeenergiesysteme mithilfe eines Hardware-in-the-Loop-Wärmepumpenprüfstands

Toolchain der Auslagerung Urheberrecht: EBC Toolchain der Auslagerung in die Cloud

Die Ermittlung von exakten jahreszeitbedingten Leistungszahlen von Wärmepumpen stellt eine Herausforderung dar, welche am Lehrstuhls für Gebäude- und Raumklimatechnik (EBC) der RWTH Aachen University unter Einsatz eines Hardware-in-the-Loop-Prüfstands untersucht wird. Dazu wird das Simulationsmodell eines Gebäudes und der zugehörigen Hydraulik mit einer Wärmepumpe am Prüfstand gekoppelt. Sowohl der Simulation als auch der Wärmepumpe werden die gleichen Umgebungsbedingungen aufgeprägt, was im Fall der Wärmepumpe mit einer Klimakammer geschieht. Die Erstellung und Parametrierung des aktuell verwendeten Simulationsmodells erfordern ein hohes Maß an Fachkenntnis in der Modellierungssoftware Dymola und stellen weiterhin eine sehr zeitintensive Aufgabe dar. Außerdem führt der Detaillierungsgrad des Modells zu hohen Berechnungszeiten. Daher werden im Rahmen dieser Arbeit im ersten Schritt die Einsatzmöglichkeiten eines reduzierten Simulationsmodells überprüft. Dazu werden mehrere Simulationsmodelle unterschiedlichen Detaillierungsgrades mithilfe des Tools TEASER und der FastHVAC-Bibliothek, welche ein Bestandteil der AixLib-Bibliothek ist, generiert. Die Validierung der reduzierten Modelle wird anhand des vorhandenen detaillierten Modells eines Einfamilienhauses durchgeführt und zeigt, dass das reduzierte Modell bei deutlich gesenktem Parametrierungs- und Berechnungsaufwand sowohl auf Jahres- als auch Tagesebene vergleichbare Ergebnisse liefert. Im zweiten Schritt wird ein automatisierter Workflow für die Erstellung des Modells und den anschließenden Export und die Simulation in einer Cloud-Umgebung in der Programmiersprache Python erarbeitet. Die Simulationsdurchführung in der Cloud wird anschließend anhand eines Prüfstandversuchs, bei dem die Simulation in einer OpenStack-Instanz durchgeführt wird, erfolgreich getestet.

Die Kombination aus einfacherer Parametrierung, reduziertem Modell, automatisiertem Workflow und Simulationsdurchführung in der Cloud bietet zukünftig die Möglichkeit, Versuche am Prüfstand mit minimiertem Aufwand und von jedem Standort aus auszuführen. Dies legt den Grundstein um den Prüfstand auch Organisationen außerhalb des Instituts und fachfremden Personen zur Verfügung zu stellen und somit auf globaler Ebene eine einfache und kostengünstige Untersuchung von energieeffizienten Gebäudesystemen zu ermöglichen.