Entwicklung von Modellkomponenten zur thermischen Simulation von Gebäuden mittels Bondgraphen

Kurzbeschreibung

Alle diese Programme haben aber gemeinsam, dass es sich dabei um geschlossene Softwaresysteme handelt, die nur für den ihnen ursprünglich zugedachten Zweck verwendet werden können.

Wir beschlossen darum, auf der Basis der Bondgraphenmodellierung ein neues Programm zu erstellen, dass alle Eigenschaften der früheren Programme aufweisen sollte, mindestens ebenso einfach bedienbar sein sollte, jedoch viel flexibler ausfallen würde, da Modellierungskomponenten beliebig ausgetauscht und/oder ergänzt werden können. Ausserdem sollte das neue Programm wesentlich leichter verständlich sein als seine Vorgänger, da alle verwendeten Modellgleichungen unverschlüsselt im Modell enthalten sind.

Zu diesem Zweck wurde ein modulares thermisches Gebäudemodell für Dymola/Modelica unter Verwendung der Bondgraphenbibliothek erstellt.

Historische Entwicklung

• Im Jahre 1989 entwickelte Spyros Andreou in seiner MS Thesis eine erste Version eines Gebäudemodells. Es handelte sich dabei um das Modell eines Versuchshauses mit aktiver Sonnenheizung, welches in den späten 70-er Jahren in Aachen aufgebaut worden war. Ein früheres Modell dieses Hauses wurde bereits in den frühen 80-er Jahren an der ETH Zürich von einem Studenten in seiner Diplomarbeit erstellt. Allerdings hatte der frühere Student bei der Modellierung keine Bondgraphen verwendet, und tatsächlich entpuppte sich das frühere Modell als fehlerhaft, da bei den Schnittstellen die Energieerhaltung nicht gewährleistet war.

• Das Modell von Spyros Andreou wurde im Anhang des Kapitels 8 des Buches Continuous System Modeling vorgestellt (). Auch dieses Modell erwies sich als immer noch fehlerhaft, da bei der korrekten Modellierung der Wasserkreisläufe die Massentransporte mitberücksichtigt werden müssen, was eine Modellierung als konvektiven Fluss voraussetzt, eine Technik, die damals noch nicht entwickelt worden war. Eine korrigierte Version des Modells der Wasserkreisläufe findet sich in der Powerpoint Präsentation #22 () meiner Vorlesung zur mathematischen Modellierung physikalischer Systeme.

• Im Jahre 1992 entwickelte Markus Weiner in seiner MS Thesis ein Modell einer anderen Versuchshauses mit einer passiven Sonnenheizung, welches in den frühen 80-er Jahren in Tucson erstellt worden war. Er nahm selbst Messungen am Haus vor und entwickelte parallel Modelle in Dymola, Calpas3 und DOE-2, die er miteinander verglich. Passive Solarheizungssysteme sind etwas einfacher zu modellieren, da dabei keine konvektiven Flüsse berücksichtigt werden müssen. Markus Weiner's Studienaufenthalt an der University of Arizona wurde vom Deutschen akademischen Austauschdienst (DAAD) finanziert.

• Im Jahre 2001 wurde das Weiner'sche Modell von mir von der ursprünglichen (nicht-graphischen) Version auf Dymola/Modelica Version 4 mit einer graphischen Oberfläche portiert.

• Im Jahre 2005 wurde eine verbesserte und voll dokumentierte Version des Modells als Standardbeispiel in die Bondgraphenbibliothek aufgenommen.

Wichtigste Publikationen

1. Andreou, S. (1990), Simulation of a Solar Heated House Using the Bond Graph Modeling Approach and the Dymola Modeling Software, MS Thesis, Dept. of Electr. & Comp. Engr., University of Arizona, Tucson, AZ.

2. Cellier, F.E. (1991), Continuous System Modeling, Springer-Verlag, New York.

3. Weiner, M. (1992), Bond Graph Model of a Passive Solar Heating System, MS Thesis, Dept. of Electr. & Comp. Engr., University of Arizona, Tucson, AZ.

4. Weiner, M., and F.E. Cellier (1993), Modeling and Simulation of a Solar Energy System by Use of Bond Graphs, Proc. 1^st SCS Intl. Conf. on Bond Graph Modeling and Simulation, San Diego, CA, pp.301-306.

5. Cellier, F.E. and R.T. McBride (2003), Object-oriented Modeling of Complex Physical Systems Using the Dymola Bond-graph Library, Proc. ICBGM’03, 6^th SCS Intl. Conf. on Bond Graph Modeling and Simulation, Orlando, Florida, pp. 157-162.

Sponsoren

• Deutscher Akademischer Austauschdienst (DAAD)

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