Automated model generation for integrated building and HVAC performance simulation

Steigende Anforderungen und neue Technologien stellen Architekten und Gebäudeplaner vor immer gröÿere Herausforderungen. Gebäudesimulation kann das thermische und energetische Verhalten von Gebäuden abbilden, bevor sie gebaut oder verändert werden, und damit energiee ziente Planung unterstützen. Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HLK) spielen bei Energiee zienzfragen eine wichtige Rolle, und sollten in der Simulation berücksichtigt werden. Ausführliche Gebäude- und HLK-Simulationen werden aber durch den Aufwand der Modellvorbereitung gehindert, vor allem in der Entwurfsplanung, wo sie den höchsten Beitrag leisten könnten. Während Gebäudegeometrie für Simulationszwecke mittels Building Information Modeling (BIM) extrahiert werden kann, sind im Falle von HLK-Anlagen ähnliche Modellumwandlungen schwieriger. Auÿerdem stehen detaillierte Modelle der zu untersuchenden Systemen oft nicht zu dem Zeitpunkt zur Verfügung, zu dem eine Simulation bei Design-Entscheidungen nützlich wäre. Um dieses Problem zu lösen, wird in dieser Arbeit eine Methode entwickelt, die es ermöglicht ausgehend von verfügbaren Gebäudemodellen Modelle von möglichen HLK-Anlagen zu generieren. Der Anwendungsbereich der Methode wird anhand von drei Anwendungsfällen festgelegt, in denen bei der Planung von Gebäuden und Warmwasserheizungsanlagen mehrere Varianten verglichen werden sollen. Unter Berücksichtigung dieser Anwendungsfällen werden Anforderungen für eine Methode und deren Softwareumsetzung spezi ziert. Aus Gebäudemodellen sollen entsprechende auf Komponenten basierende HLK-Modelle abgeleitet werden, und zur integrierten Simulation von Gebäuden und HLK-Anlagen eingesetzt werden. Die erstellten Modelle, wenn auch nicht so detailliert wie gleichungsbasierte Modelle, stellen gegenüber idealisierten und auf allgemeinen Systemen basierenden Modellen eine Verbesserung dar. Den Kern der vorgeschlagenen Methode bilden also Verfahren, die Modelle von an einem Gebäude angepassten HLK-Anlagen automatisch erstellen. Am Anfang dieser Verfahren steht die Ermittlung von Auslegungslasten. Anschlieÿend folgt der Aufbau von Systemmodellen der Gliederung in Teilanlagen für Nutzerübergabe, Verteilung und Wärmebereitstellung. Ein Schwerpunkt liegt dabei auf die Verteilung, die eine Schwachstelle in bisherigen Ansätzen zur automatischen Modellerstellung darstellt. Zur Bestimmung möglicher Verteilungsstrukturen wird eine auf Graphen basierende Methode entwickelt. Ausgehend von der Gebäudegeometrie und von der Anordnung der Übergabekomponenten, werden gewichtete Graphen gebildet, die mögliche Verteilungskomponenten darstellen. In diesen Graphen entsprechen Vor- und Rücklaufl eitungen zyklenfreien Teilgraphen. Die Methode wird als Softwaresystem implementiert. Dabei wird die Erstellung von komponentenbasierten HLK-Modellen von derer Übersetzung in Eingänge für Simulationstools getrennt. Zwei Möglichkeiten der Simulation werden eingesetzt: integrierte Simulation mit EnergyPlus, und Co-Simulation zwischen EnergyPlus für die Gebäudesimulation und TRNSYS für die Anlagensimulation. Es wird dargestellt, wie das Softwaresystem auf die vorher de nierten Anwendungsfälle angewendet werden kann. Für die Veri zierung und Validierung des Systems werden mehrere Ansätze herangezogen. Vom System gelieferte Ergebnisse werden mit vergleichenden Tests geprüft, indem Eigenschaften von erstellten Modellen mit denen von realen Anlagen und mit Standardwerten verglichen werden. Verschiedene Vereinfachungen werden in ihrer Wirkung untersucht. Ein systematisches Zonierungsverfahren wird benutzt, um Zonen nach gewissen Merkmalen zusammenzulegen. Der Ein uss der resultierenden Zonierungen auf Simulationsergebnisse wird anhand von 5 Beispielgeb äuden untersucht. Auch Verfahren zur Vereinfachung von HLK-Modellen werden entwickelt und evaluiert. Weiters werden Methoden zum Parameterscreening und zur Modellkalibrierung auf das entwickelte System angewendet. Mit der Elementare ekt-Methode können unwichtige Eingangsparameter identi ziert werden. Weiters wird die Möglichkeit von Modellkalibrierung dargelegt. Dafür können automatisch Parameter variiert und die Di erenzen zwischen Simulations- und Messwerten minimiert werden. Diese Möglichkeit wird anhand von künstlichen und anhand von realen Daten untersucht. Indem die vorgelegte Methode dazu beiträgt, integrierte Gebäude- und Anlagensimulation erschwinglicher zu machen, kann sie die Lücke zwischen Simulation und Entscheidungsunterstützung in der Entwurfsplanung verkleinern. With growing requirements and changing technologies, making the right decisions in building design is more challenging than ever. Building performance simulation (BPS) has the potential to support the planning of more energy-e cient buildings by modeling their thermal behavior in its complexity before their actual construction or modi cation. This involves taking into account heating, ventilation and air-conditioning (HVAC) systems and their interaction with the building and its occupants. Still, obtaining a detailed evaluation of the performance of building and HVAC systems in early planning stages is made di cult by cumbersome model preparation. While building geometry from building information models (BIM) can be translated for use in building performance simulation, such model transformations are more problematic when it comes to HVAC data. Moreover, detailed descriptions of HVAC systems whose performance is to be assessed are generally not available during those early stages in which simulation could be most useful. The approach developed in this thesis aims at avoiding this di culty by creating models of potential HVAC systems corresponding to available building models. The scope is de ned by three use cases in conceptual design of building and hydronic HVAC systems, for new constructions as well as for refurbishment. Requirements for a method supporting these use cases and for a software system realizing this method are speci ed. The software system is to derive component-based models of possible HVAC systems from building models, and use these models for integrated building and HVAC simulation with existing simulation engines. While coarser than equation-based models which may represent HVAC systems most realistically, the targeted component-based models can be assumed to represent an improvement on conceptual and system-based HVAC modeling. Procedures for the automated creation of component-based HVAC models are at the heart of the proposed method. These procedures start with the determination of design loads, and follow a traditional decomposition of hydronic systems in delivery, distribution and generation subsystems. For each subsystem, the procedures are developed by adapting processes described in the corresponding engineering literature to our requirements, and formalizing or simplifying such processes where necessary. In this context, some emphasis is put on distribution subsystems, which represent a weak link in current approaches to automated HVAC model creation. Distribution layouts are determined with a graph-based method, based on networks of potential distribution components which match building geometry and delivery components. Supply and return distributions are derived from acyclic subgraphs in these networks. A software system prototype realizing the method is developed. The design of this software system separates the creation of component-based HVAC models, as described above, from their transformation into simulation inputs. The system prototype is implemented for integrated simulation with EnergyPlus, and for cosimulation between EnergyPlus (building domain) and TRNSYS (HVAC domain). The application of the system to the three targeted building and HVAC design use cases is illustrated. Di erent e orts aiming at the veri cation and validation of the proposed system are presented. Results are subjected to comparative testing. Characteristics of generated system models are compared with those of existing HVAC systems and with standard values. Simulation results obtained with di erent simulations are compared. The e ects of various model simpli cations are investigated. Using a systematic zoning procedure, the impact of several zoning schemes on simulation results is observed for ve oors plans, distinguishing between simulation zoning and HVAC zoning. Procedures simplifying the structure of HVAC models and reducing the number of components are de ned and evaluated. The use of parameter screening and calibration with the proposed system is also investigated, which contributes to its validation but also opens up possibilities for applications beyond the three initial use cases. Parameter screening with the method of elementary e ects is applied to various sets of building and HVAC-related parameters. For automated simulation calibration with the proposed system, a method based on the minimization of di erences between simulated and measured values is suggested, and tested with synthetic as well as with real data. By making detailed assessments of the integrated performance of building and HVAC concepts more a ordable, the method for automated model generation proposed in this work may ll a gap in the use of simulation for decision support in the conceptual design phase.