Masterarbeit Lukas Schulte

 

Modellimplementierung und Simulationsdurchführung eines Mehrfamilienhauses unterschiedlichen Detaillierungsgrades zum Vergleich in Hardware-in-the-Loop-Experimenten

High-Order-Gebäudemodell Urheberrecht: EBC High-Order-Gebäudemodell des Mehrfamilienhauses als Modelica-Gesamtsystem

Untersuchungen zur Erforschung, Erprobung und Bewertung von Wärmepumpensystemen im Bereich der Gebäudeenergietechnik bilden einen Kernaspekt der Forschung, welche am Lehrstuhl für Gebäude- und Klimatechnik (EBC) der RWTH Aachen University durchgeführt wird. Ein wichtiger Bestandteil zur Untersuchung von derartigen Energiesystemen stellen Gebäude- und hydraulische Modelle dar. Diese werden zur Interaktion über einen Hardware-in-the-Loop-Prüfstand mit dem realen Erzeugersystem kombiniert. Um realitätsnahe Aussagen sowohl über das Wärmepumpensystem als auch das modellierte Gebäude treffen zu können, müssen die Anforderungen der Genauigkeit, des Parametrierungsaufwandes und der Recheneffizienz der Simulationen gegeneinander abgewogen und je nach Bedarf umgesetzt werden.

Im Rahmen der Arbeit wird vor diesem Hintergrund in einem ersten Schritt ein detailliertes Simulationsmodell für ein Mehrfamilienhaus finalisiert, für den Einsatz des Wärmetransfersystems einer Fußbodenheizung vorbereitet und für spätere Untersuchungen skalierbar gemacht. Zusätzlich wird auf der Basis existierender Modellierungsansätze ein vereinfachtes Gebäudemodell für einen späteren Vergleich vorbereitet und parametriert.

Im zweiten Schritt werden die Modelle der Wärmeverteilung und des Wärmetransfers ausgearbeitet. Dies geschieht, ähnlich wie für das Gebäudemodell, in Form von zwei Varianten. Zuerst wird ein detailliertes Modell mithilfe des Tools Modelica Network Generator generiert. Im weiteren Prozess wird zusätzlich ein Ansatz zur vereinfachten Modellierung von Fußbodenheizungssystemen inklusive des hydraulischen Versorgungsnetzes anhand weniger Gebäude- und Bedarfsparameter erarbeitet und umgesetzt.

Die erzeugten Modelle werden im letzten Schritt anhand von drei Hardware-in-the-Loop-Experimenten für den gleichen Testtag untersucht und im Sinne eines Vergleiches ausgewertet. Dieser Vergleich hat gezeigt, dass sich für die Modellierungsansätze nicht zu vernachlässigende energetische Abweichungen ergeben. Dies gilt vor allem für die Dynamik der Größen an der Bilanzgrenze wie dem Heizwassermassenstrom. Gleichzeitig stellt sich heraus, dass die Modellierungsunterschiede einen marginalen Einfluss auf die Effizienz des untersuchten Wärmepumpenverbundes haben.

Vor allem die Entwicklung eines Ansatzes zur einfachen und effizienten Modellierung des Heizsystems der Fußbodenheizung und der anschließenden Einbindung in das Gesamtkonzept eines energetischen Gebäudemodells, bietet die Möglichkeit anhand weniger bekannter Parameter sinnvolle Untersuchungs- und Simulationsgrundlagen zu schaffen.