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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.
The contribution of the RoofKIT student team to the SDE 21/22 competition is the extension of an existing café in Wuppertal, Germany, to create new functions and living space for the building with simultaneous energetic upgrading. A demonstration unit is built representing a small cut-out of this extension. The developed energy concept was thoroughly simulated by the student team in seminars using Modelica. The system uses mainly solar energy via PVT collectors as the heat source for a brine-water heat pump (space heating and hot water). Energy storage (thermal and electrical) is installed to decouple generation and consumption. Simulation results confirm that carbon neutrality is achieved for the building operation, consuming and generating around 60 kWh/m2a.
This paper presents a framework for numerical building validation enhancement based on detailed building specifications from in-situ measurements and evidence-based validation assessment undertaken on a detached sustainable lightweight building in a semi-arid climate. The validation process has been undergone in a set of controlled experiments – a free-float period, and steady-state internal temperatures. The validation was conducted for a complete year with a 1-min time step for the hourly indoor temperature and the variable refrigerant flow (VRF) energy consumption. The initial baseline model was improved by three series of validation steps per three different field measurements including thermal transmittance, glazing thermal and optical properties, and airtightness. Then, the accurate and validated model was used for building energy efficiency assessment in 12 regions of Morocco. This study aims to assess the effect of accurate building characteristics values on the numerical model enhancement. The initial CV(RMSE) and NMBE have improved respectively from 14.58 % and −11.23 %–7.85 % and 1.86 % for the indoor temperature. Besides, from 31.17 % to 14.37 %–20.57 % and 9.77 % for energy consumption. The findings demonstrate that the lightweight construction with the use of a variable refrigerant flow system could be energy efficient in the southern regions of Morocco.