Simmodel transformation middleware for modelica-based building energy modeling and simulation

Cao, Jun; van Treeck, Christoph Alban (Thesis advisor); Bazjanac, Vladimir (Thesis advisor)

Aachen (2018)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Kurzfassung

In der Architecture, Engineering, Construction, Owners and Operators (AECOO) Industrie ist die Erzeugung von Building Energy Models (BEMs) für Building Energy Performance Simulation (BEPS) ein zeitaufwendiger und teurer Prozess. Insbesondere die Behinderung der BEMs durch verschiedene Unstimmigkeiten, z.B. aufgrund von Modellierungsfehlern oder konzeptualen Unterschieden zwischen den AECOO Domänen und deren Modellierungshierarchien, speziell aus geometrischer und topologischer Sicht betreffend der sogenannten Space Boundaries, sind hier als Gründe zu nennen. Ein manueller BEM Entwicklungsprozess, z.B. unter Anwendung traditioneller BEM Werkzeuge wie EnergyPlus, erfordert einen beträchtlichen Aufwand und kann zu Fehlern und Auslassungen führen, was die Kosten des BEM Projektes erhöht.Zur Begegnung dieser Herausforderungen stellt diese Arbeit eine wissenschaftliche Methode zur automatischen Wandlung eines digitalen Building Information Model (BIM) Formates, auch SimModel genannt, in ein objekt-orientiertes nichtkausales Format für Modelica, welches zum Einsatz für fortgeschrittene BEPS genutzt werden kann. Das Ergebnis dieser Arbeit ist eine Middleware, die SimModel mit verschiedenen Modelica BEM Bibliothekenverknüpft, um den BEM Entwicklungsprozess zu verbessern. Das Akronym BIM steht hier für Building Information Modeling oder Building Information Model. Wenn als Nomen genutzt, beschreibt es ein Building Information Model, das eine Instanz des Datenmodells eines Gebäudes ist. Dieses kann beispielsweise multidisplizinäre Daten wie Geometrie, Physik, als auch Beheizung, Belüftung, und Klimaanlage (Heating, Ventilation and Air Conditioning, HVAC) umfassen. Als Verb genutzt, also Building Information Modeling, bezeichnet es the Akt oder Prozess der Erstellung eines Building Information Model.Die Middleware, welche in dieser Arbeit entwickelt wurde, konzentriert sich auf die automatische Umwandlung der HVAC Gebaeudesysteme aus SimModel in ein gleichungsbasiertes BEM Format, insbesondere fuer Modelica. Modelica ist eine freie objektorientierte, gleichungsbasierte Modellierungssprache, welche zunehmend an Bedeutung in der BEM Gemeinde gewinnt. Sie erlaubt es Modellierern auf einfache Weise komplexe physikalische Systeme mit Subkomponenten der Mechanik, Elektrik, Hydraulik usw zu erstellen. Eine typische, manuelle BEM Entwicklung kann so durch die hier vorgestellten Transformationsmethoden beschleunigt werden, indem der vorherrschende, mühsame und fehleranfällige Prozess der manuellen Datenumwandlung und Modellerstellung vermieden wird. Zusammenfassend präsentiert diese Arbeit die folgenden Beiträge: 1. Eine wissenschaftliche Methode zur automatischen Überführung eines digitalen BIM Formates in ein objektorientiertes, nichtkausales Modell für BEPS. Zum Funktionsnachweis des Konzeptes der vorgestellten Methode wird eine quelloffene Implementierung zur Transformations von SimModel Formaten in verschiedene Modelica Bibliotheken erstellt. Dieses Framework konvertiert vorliegende HVAC Komponenteninstanzen und deren physikalische Eigenschaften aus SimModel in die Modelica Welt. 2. Ein Datentransformationsschema, basierend auf der XML Schema Definition (XSD), zur Unterstützung der Datenumwandlung für verschiedene Modelica Bibliotheken, mit gleichzeitig unterschiedlichen Modell Topologien und variierender Syntax. Das Schema definiert mehrere mögliche Abbildungslogiken zwischen SimModel und Modelica. Es speichert generische Abbildungsregeln zur Transformation verschiedener Ebenen von SimModel Daten in Modelica Modelle, wie beispielsweise die Bibliothekebene zur Spezifikation einer BEM Bibliothek, HVAC Komponentenebene, und der internen Eigenschaftsebene einer jeden HVAC Komponente. Basierend auf dem Schema können Simulationsexperten auf einfache Weise einen Datentransformationsprozess zwischen SimModel und mehreren Modelica Bibliotheken definieren, indem die generischen Abbildungsregeln des Schemas verwendet werden. 3. Eine Application Programming Interface (API) für zwei verschiedene Programmiersprachen, die in der Systementwicklung eingesetzt werden. Das Transformationssystem ist grösstenteils in der C++ Programmierspracheimplementiert, um die Systemeffizienz bei der Modell-Uebersetzung zu erhöhen. Die Modelica Datenmodell-Erstellung ist in der Python Programmiersprache entwickelt, da diese grossflächigen Einsatz in der Vor- oder Nachbearbeitung von Modelica-basierten BEM findet. Diese generische API, die die C++ und Python Sprachen verbindet, wird in das Transformationssystem eingebettet und ermöglicht die Kontrolle der Modelica Quellcode Erzeugung fuer Python-basierte Modellierer und Simulationsingeneure. Das vorgeschlagene, flexible Modell Transformationssystem ist eine Verbesserung vorheriger Arbeiten, da es eine generische Methode zur Transformation eines BIM Formates in verschiedene Modelica Bibliotheken zur Beschleunigung der BEM Entwicklung demonstriert. Darüber hinaus behandelten vorherige Arbeiten nur das Verknüpfen einer spezifischer Modelica Bibliothek und der BIM Formate. Falls jedoch Namenskonventionen, Datenrepresäntationen oder Bibliotheksstrukturen anderer Modelica Bibliotheken von der Zielbibliothek abweichen, sind die vorherigen Arbeiten nicht geeignet, um ihre BIM Formate in verschiedene Modelica Bibliotheken zu wandeln. Dieses Defizit wird in dieser Methode behandelt.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Energieeffizientes Bauen [312410]