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7 Zusammenfassung
Zur Entwicklung und Planung energiesparender Gebäude, zum Entwurf geeigneter Regelungsalgorithmen
benötigt man detailliertes Wissen über das thermische und energetische
Verhalten eines Gebäudes, das in Wechselwirkung mit seiner Umgebung und seinen Bewohnern
steht. Dies leistet ein mathematisches Modell.
Die Beschreibung großer, komplexer technischer Systeme führt zu hoch komplexen, umfangreichen
mathematischen Modellen, die - zur Simulation implementiert - große Softwaresysteme
ergeben. Es liegt daher nahe, Konzepte der Informatik auch in der mathematischen
Modellbildung zu nutzen. Neben der Dekomposition in Teilsysteme, den Strukturierungskonzepten
zur Beherrschung der Komplexität ist hier ein aktueller Forschungsgegenstand der
Informatik von besonderem Interesse. Es handelt sich um die Nutzung der Wiederverwendung
als methodisches Element des Softwareentwicklungsprozesses großer Systeme.
Die Wiederverwendung erprobter, d.h. verifizierter und validierter Komponenten erhöht zum
einen die Effektivität, aber auch die Qualität des Neuentwurfs. Generische Konzepte stellen
den Schlüssel dar, um einen möglichst hohen Wiederverwendungsanteil zu erzielen. Zunächst
gilt es, die varianten und invarianten Teile eines Systems zu identifizieren. Dann ist eine
geeignete Parametrierung der varianten Teile zu finden, die deren Generierung ermöglicht.
Durch Analyse und Spezifikation der Vorgehensweise bei der Modellerstellung lassen sich
auch Erfahrungen, Techniken und Wissen aus vorangegangenen Projekten nutzen.
Von großer Bedeutung ist die wiederverwendungsgerechte Darstellung der Modellkomponenten.
Diese basiert auf vertikalen Strukturierungskonzepten wie der objektorientierten
Beschreibung mit Aggregation, Vererbung und Klassenprinzip. Von zentraler Bedeutung ist
jedoch die nicht berechnungskausale Beschreibungstechnik als Folge der Nutzung phänomenologischer
Verknüpfungen. Es wird so möglich die Wiederverwendung schon auf der Ebene
des physikalischen Ersatzmodells in den Entwicklungsprozess zu integrieren.
Zur Realisierung der theoretischen Konzepte benötigt man ein geeignetes Werkzeug, eine
Simulationsumgebung. Sie übernimmt häufig wiederkehrende Aufgaben wie die Numerik,
Visualisierung oder die Verwaltung einer Modellbibliothek. Durch ihre Auswahl und Anwendung
nutzt man implizit Expertenwissen, Erfahrungen und in der Anwendungsdomäne etablierte
Methoden. Diese Anforderungen erfüllt die objektorientierte, nicht berechnungskausale
Modellbeschreibungssprache Modelica. Sie stellt einen interdisziplinären Standard dar, zu
dem eine leistungsfähige Simulationsumgebung (Dymola) existiert.
Es wurde eine Modellbibliothek zur Simulation thermischen Gebäudeverhaltens in Modelica
erstellt. Sie untergliedert sich in die Abschnitte Gebäude-, Thermohydraulik-, Umgebungsund
Algorithmenbibliothek. Die objektorientiert implementierten, nicht berechnungskausalen
Modellkomponenten sind hierarchisch strukturiert. Ihre Implementierung orientiert sich am
intuitiven physikalischen Verständnis des zu beschreibenden technischen Prozesses. So
aggregiert ein Gebäude einzelne Räume, Fenster, Wände und diese wiederum einzelne Wandschichten.
Die Modellbibliothek wurde in exemplarischen Konfigurationen simulativ validiert. Hierzu
wurde ein typisches freistehendes Einfamilienhaus des Bestandes mit 5 Räumen und seiner
klimatischen Umgebung aus Bausteinen der Modellbibliothek in Modelica implementiert. Als
Referenz diente ein TRNSYS-Gebäudemodell. TRNSYS stellt ein etabliertes und auch experimentell
validiertes Tool dar, das häufig zur Gebäude- und Anlagenplanung eingesetzt wird.
Es steht nun eine praktisch anwendbare Modellbibliothek zur dynamischen Simulation thermischen
Gebäudeverhaltens in Modelica zur Verfügung.
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