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Ziel dieser Arbeit ist die Modellierung und Nutzung eines digitalen Zwillings am Beispiel eines realen Tiny-Houses. Dazu werden für die Komponenten der technischen Gebäudeausrüstung Wärmepumpe, thermische Speicher, thermoaktives Bauteilsystem, PVT-Kollektoren und Batterie als Grey-Box-Modelle modelliert und in der Python-Umgebung umgesetzt. In dieser Arbeit wird auf die physikalischen Hintergründe und mathematischen Formulierungen für jede Komponente eingegangen.
In einem automatisierten Programm werden die digitalen Komponenten mit Messwerten aus dem realen Anlagenbetrieb verknüpft. Dieses Skript wird zu Fehlererkennung verwendet. Dabei konnte ein fehlerhafter Betrieb der PVT-Kollektoren bewiesen werden.
Die Verknüpfung der einzelnen Komponenten zum digitalen Zwilling wird zur Betriebsoptimierung verwendet. Hierzu wird die Simulation des Ausgangszustands mit verschiedenen Optimierungsstrategien verglichen. Dabei konnte der Anlagenbetrieb hinsichtlich Komfortbedingungen und Energieeffizienz deutlich optimiert werden. Die finale Optimierungsstrategie basiert auf einereinfachen Wettervorhersage.
Mit der Modellierung und Nutzung eines digitalen Zwillings trägt diese Arbeit dazu bei, innovative Lösungen für die zukünftige Entwicklung und Gestaltung von Gebäuden sowie die Optimierung bereits bestehender Gebäude mithilfe digitaler Zwillinge voranzutreiben.
Das Ziel der Arbeit ist zu erforschen, ob die Erstellung eines Digital Twin des Hamburger Hafens durch Open Source Lösungen realisierbar ist. Die Grundlagen führen in die Themen Digital Twin und Smart City ein. Es wird darauf eingegangen, welche Vorteile durch die Verwendung eines Digital Twins gewonnen werden können und wie sich die verschiedenen Digital Twin-Typen unterscheiden. Es werden verschiedene Architekturen anhand eines Smart City Index weltweit evaluiert, um ein geeignetes Digital Twin-Framework zu finden. FIWARE hat sich als geeignetes Frame- work erwiesen und wird im Anschluss analysiert. Anhand der Evaluierung wird ebenfalls das 3D-Visualisierungs Framework CesiumJS als Open Source Lösung ermit- telt. Das Unternehmen Hamburg Port Authority wird vorgestellt und die interne IT- Infrastruktur betrachtet. Anhand der Architekturdokumentation arc42 werden die Anforderungen und die erforderliche Architektur in Zusammenarbeit mit der Hamburg Port Authority ermittelt. Im Anschluss wird der Architekturentwurf anhand eines Prototyps implementiert. Probleme oder Anforderungen, die nicht erfüllt werden können, werden beschrieben. Abschließend werden die Ergebnisse und das Fazit der Hamburg Port Authority zusammengefasst.
The twin concept is increasingly used for optimization tasks in the context of Industry 4.0 and digitization. The twin concept can also help small and medium-sized enterprises (SME) to exploit their energy flexibility potential and to achieve added value by appropriate energy marketing. At the same time, this use of flexibility helps to realize a climate-neutral energy supply with high shares of renewable energies. The digital twin reflects real production, power flows and market influences as a computer model, which makes it possible to simulate and optimize on-site interventions and interactions with the energy market without disturbing the real production processes. This paper describes the development of a generic model library that maps flexibility-relevant components and processes of SME, thus simplifying the creation of a digital twin. The paper also includes the development of an experimental twin consisting of SME hardware components and a PLC-based SCADA system. The experimental twin provides a laboratory environment in which the digital twin can be tested, further developed and demonstrated on a laboratory scale. Concrete implementations of such a digital twin and experimental twin are described as examples.