IEA EBC Annex 60: Eine neue Generation von Simulationswerkzeugen für Gebäude und kommunale Energiesysteme, basierend auf den Standards von Modelica und Functional Mockup Interface

Aufgrund der zunehmend ambitionierteren Ziele bezüglich Energieeffizienz als auch der Herausforderungen hinsichtlich der Einbindung von erneuerbaren Energieträgern sind in den vergangenen Jahren Themen rund um Systemintegration und Betriebsoptimierung von Gebäuden in den wissenschaftlichen Fokus gerückt. Ziel dabei ist es, ein Gebäude oder ein kommunales Energiesystem sowohl in der Auslegung als auch im Betrieb zu optimieren. Dies erfordert die gleichzeitige Berücksichtigung von Speichern, Gebäudetechnik und elektrischen sowie thermischen Verteilnetzen. Eine derartige Analyse auf Systemebene erfordert Simulation und Optimierung über die traditionellen Grenzen der Ingenieursdisziplinen hinaus, mit Fokus auf gekoppelte thermische und elektrische Systeme sowie innovative Regelungsansätze. Abbildung 1 fasst die Herausforderungen zusammen, die in diesem Kontext durch die Verwendung einer standardisierten Modellierungssprache, standardisierte Programmschnittstellen (API) und standardisierte Datenmodellen im Annex adressiert wurden.

Modellierungs- und Simulationstechnologien, die am Annex genutzt wurden, basierten auf der objektorientierten Modellierungssprache „Modelica". Die „Modelica Standard Library" enthält mehr als 1300 Modelle und Funktionen, die quelloffen (open source), frei verfügbar und gut dokumentiert sind. Allerdings umfasst die Modelica Standard Library keine Modelle für Gebäude oder kommunale Energiesysteme. Auch die Notwendigkeit traditionelle Werkzeuge mit Modelica zu koppeln wurde erkannt. Die Spezifikation „Functional Mockup Interface" (FMI) standardisiert die Programmschnittstellen für die Integration von Modellen in andere Simulationsprogramme und vereinheitlicht die Art und Weise wie verschiedene Simulationsprogramme während der Laufzeit miteinander kommunizieren können. Modelica und FMI wurden ausgewählt, weil sie industrielle, nicht-proprietäre und anwendungstaugliche Standards sind, die den Technologietransfer zwischen Gebäudesimulation und anderen Disziplinen ermöglichen (z.B., Regelungstechnik, elektrische und thermische Systeme).

Die Zielsetzungen des Annexes wurden erreicht, indem die teilnehmenden Organisationen gemeinsam an den in Abbildung 2 zusammengefassten Arbeitspaketen arbeiteten. In Arbeitspaket 1 wurde die erforderliche Software entwickelt, wobei auf bereits existierende Vorarbeit zurückgegriffen werden konnte. Arbeitspaket 2 konzentrierte sich auf die Validierung, Verifikation, Demonstration und Bereitstellung der entwickelten Software. Arbeitspaket 3 entwickelte einen Leitfaden, organisierte Vortragsreihen auf wissenschaftlichen Konferenzen und stellte die effektive Zusammenarbeit mit anderen Organisationen sicher.

Der österreichische Beitrag zum Annex konzentrierte sich auf Arbeitspaket 1.2 (Simulationskopplung und Modellaustausch mittels FMI) sowie Arbeitspaket 2.2 (Design von kommunalen Energiesystemen). Das beinhaltete die Entwicklung von FMI-kompatiblen Schnittstellen für relevante Simulationswerkzeuge sowie der Simulationsumgebung FUMOLA, die es erlaubt sowohl die im Annex erarbeiteten Modelica-Modelle zu verwenden als auch an externe Simulationswerkzeuge zu koppeln. Weiters wurden bestehende Modelica-Modelle von Wärmeerzeugern (Heizwerke), Verteilung (FW-Rohrleitungen) und Abnehmern (Gebäudemodelle) für die Optimierung des Betriebs von Fernwärmesystemen verwendet.

• Die im IEA EBC Annex 60 entwickelten Werkzeuge und Methoden sind weit über die Grenzen der Simulation und Optimierung von Gebäuden und kommunalen Energiesystemen hinaus relevant. Das gilt im Besonderen hinsichtlich der europäischen und österreichischen Klima- und Energieziele, in deren Kontext sich derzeit ein Fokus in Richtung der Systemintegration im Energiesektor (speziell durch die Kopplung der Energiesektoren) als zentrales strategisches Element herausbildet. Deshalb war es ein wichtiges Ziel der österreichischen Beteiligung am IEA EBC Annex 60 eine möglichst breit einsetzbare Palette an FMI-kompatiblen Werkzeugen zu entwickeln. Diese Werkzeuge wurden als quelloffene Software-Pakete publiziert und sind somit für die breite Öffentlichkeit verfügbar:Die FMI++ Library ist eine frei verfügbare Software-Bibliothek, die eine Vielzahl an flexiblen Werkzeugen für den Umgang mit FMI-kompatiblen Modellen und Simulatoren zur Verfügung stellt. Diese Software-Bibliothek bildet dabei die Grundlage aller FMI-relevanten Entwicklungen der österreichischen Beteiligung am IEA EBC Annex.
• Mit der FMI++ TRNSYS FMU Export Utility wurde eine FMI-kompatible Schnittstelle für TRNSYS, einem beliebten Tool im Bereich der Gebäudesimulation, zur Verfügung gestellt. Dabei wurde ein sogenannter FMI-Adapter entwickelt, der wie jede andere Komponente aus der Modellbibliothek in ein TRNSYS-Modell eingebunden werden kann.
• DIgSILENT PowerFactory ist eine beliebte und etablierte Umgebung für die Modellierung und Simulation von elektrischen Netzen, die mit einer validierten Komponentenbibliothek ausgestattet ist. Mit der FMI++ PowerFactory FMU Export Utility wurde für dieses Simulationswerkzeug die erste FMI-kompatible Schnittstelle entwickelt.
• Das Functional Mock-up Laboratory, kurz FUMOLA, ist eine Simulationsumgebung, die spezifisch für die Einbindung von FMI-kompatiblen Modellen und Simulatoren in eine gekoppelte Simulation konzipiert ist. Bei der Entwicklung von FUMOLA wurde bewusst auf eine Neuimplementierung von Null weg verzichtet. Vielmehr wurde möglichst auf bereits in Entwicklung befindlichen bzw. etablierten Software-Komponenten aufgebaut, die bereits getestet und in der Anwendung erprobt waren.

Weitere Publikationen

• Dynamic equation-based thermo-hydraulic pipe model for district heating and cooling systems (2017)