Masterarbeit Christian Sauren

 

Untersuchung der Lebenszykluseffizienz von Wärmeerzeugern im Gebäudebestand durch Integration des Digitalen-Zwilling-Konzepts

Design-Ansatz Urheberrecht: EBC Design-Ansatz zur Umsetzung eines Digitalen Zwillings für HVAC-Systeme entlang des gesamten Produktlebenszyklus

Im Rahmen der Digitalisierung von Energiesystemen findet die Anwendung von fortschrittlichen Regelungsstrategien, die die Betriebseffizienz steigern, immer weitere Verbreitung. Bereits in frühen Entwicklungsstadien müssen Systeme deshalb derart konzipiert werden, dass sie sowohl funktionalen Anforderungen genügen als auch Regelungsstrategien mit digitalen Schnittstellen erlauben. Auf diese Weise können bislang ungenutzte Potentiale erschlossen werden. Für komplexe Systemdesigns hat sich das Digitale-Zwilling-Konzept bewährt.

Gebäudeenergiesysteme sind aufgrund ihres nichtlinearen Verhaltens sowie stochastischer Wechselwirkungen mit ihrer Umwelt komplex. In Bezug auf Heiz-, Kühl- und Ventilationssysteme\linebreak(HVAC) gilt es, trotz hoher Komplexität robuste und genaue Aussagen bezüglich der Betriebseffizienz treffen zu können. Diese hängt darüber hinaus jedoch stark vom jeweiligen Komponentendesign und der Regelungsstrategie ab. Mit dem Ziel, bisher ungenutzte Potentiale hinsichtlich der Lebenszykluseffizienz zu erschließen, wird ein Digital Twin Design Ansatz (DTD) für HVAC-Systeme erarbeitet.

Zur Potentialabschätzung wird komponentenweise ein Digital Twin Prototype (DTP) eines Ventilationssystems in Modelica entwickelt, um das physikalische Systemverhalten von HVAC-\linebreak Systemen vorhersagen zu können. Sowohl die einzelnen Komponenten als auch das Gesamtsystem müssen eine hohe Simulationsgeschwindigkeit und -genauigkeit aufweisen, damit physikalische und thermodynamische Zustände echtzeitfähig und genau abgeschätzt werden können.

Zur Validierung der Funktionalität und Eignung des DTD wird eine Digital Twin Instance (DTI) mittels Kalibrierung des DTP auf Messdaten des physikalischen Zwillings entwickelt. Dazu wird eine geeignete Kalibrierungsmethodik ausgewählt und angewendet. Die Kommunikation zwischen physikalischen und digitalen Zwillingen wird mittels MQTT-Schnittstellen realisiert. Diese ermöglichen DTIs einen schnellen Austausch von großen Datenmengen. Zur zeitgleichen Untersuchung verschiedener Betriebsstrategien bilden mehrere DTIs, die unterschiedliche Szenarien simulieren, das Digital Twin Aggregate (DTA). Dabei soll eine Softwareumgebung mit Docker geschaffen werden, in der die einzelnen Instanzen isoliert und unabhängig von weiteren Systemfunktionen ausgeführt werden können. Auf diese Weise kann zu jedem Zeitpunkt der Betriebszustand überwacht, die optimale Betriebsstrategie ermittelt und die Effizienz von HVAC-Systemen im Betrieb gesteigert werden.

Zusammenfassend bieten Digitale Zwillinge die Möglichkeit der Implementierung von hochentwickelten modellbasierten Regelungsstrategien für HVAC-Systeme. Diese erlauben u.a. die Umsetzung einer optimierten Betriebsführung oder Maßnahmen im Zuge von Predictive Maintenance, wodurch Potentiale zur Erhöhung der Lebenszykluseffizienz erschlossen werden können.