Thermische Modellierung von Geb

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Thermische Modellierung von Gebäuden III

• Dies ist die dritte von drei Vorlesungen, welche
  sich mit dem Thema der thermischen Modellierung
  von Gebäuden befassen.
• Dieses dritte Beispiel behandelt die
  thermodynamische Bilanzierung von Biosphere II,
  einem Forschungsprojekt, welches 50 km nördlich
  von Tucson angelegt wurde.
• Nachdem Biosphere II auch pflanzliches Leben
  enthält, ist es wichtig, nicht nur die Temperatur
  innerhalb des Biosphere II Gebäudes zu
  betrachten, sondern auch die Luftfeuchtigkeit.
• Der gesamte Komplex wird als ein einzelner Raum
  mit einer gleichmässigen Lufttemperatur
  betrachtet. Die Auswirkun-gen der Klimaanlage
  wurden vernachlässigt.
• Das Modell berücksichtigt das Wetter bei
  Biosphere II.

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Übersicht

• Biosphere II Ursprüngliche Zielsetzung
• Biosphere II Gegenwärtige Zielsetzung
• Biosphere II Konstruktion
• Biosphere II Die Biome
• Das konzeptuelle Modell
• Das Bondgraphmodell
• Wärmeleitung, Konvektion, Strahlung
• Verdunstung, Kondensation
• Das Dymola Modell
• Das Dymola Biosphere Paket
• Simulationsresultate

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Biosphere II Ursprüngliche Zielsetzung

• Biosphere II wurde als geschlossenes ökologisches
  System konzipiert.
• Der ursprüngliche Zweck war, zu untersuchen, ob
  es möglich ist, eine System zu bauen, dass sich
  materiell selbst unterhält, das heisst, das nur
  Energie von aussen zugeführt bekommt.
• Solche Systeme wären z.B. bei langen Raumflügen
  nützlich.
• Biosphere II hat eine Anzahl unterschiedlicher
  Biome, die miteinander kommunizieren.
• Das Modell enthält nur ein einziges Biome,
  welches aber die Grösse der gesamten Struktur
  hat.
• Es lebten während zwei Jahren acht Argonauten
  in Biosphere II. Diese mussten sich selbst
  versorgen.

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Biosphere II Gegenwärtige Zielsetzung

• Momentan wird Biosphere II in einem offenen
  Durchflussmodus betrieben. Somit ist die Struktur
  nicht mehr materiell abgeschlossen.
• Aktuelle Experimente beinhalten z.B. die Analyse
  der Auswirkungen verschiedener Konzentrationen
  von CO2 auf das Pflanzenwachstum. Damit soll
  untersucht werden, wie sich die sich ändernde
  Zusammensetzung der Erdatmosphäre auf das Leben
  auswirken wird.

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Biosphere II Konstruktion I

• Biosphere II wurde in einer Gitterbauweise
  erstellt.
• Die Gitterelemente sind durch Glasfenster
  ausgefüllt, die gut mit Silikon verkittet sind.
• Biosphere II verliert ca. 10 so viel Luft pro
  Volumeneinheit wie das Spaceshuttle.

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Biosphere II Konstruktion II

• Die Pyramidenstruktur ent-hält das Urwaldbiom.
• Die langgestreckte Nach-bareinheit beherbergt den
  See, die Sumpflandschaft, die Savanne und
  zuunterst die Wüste.
• Daneben gibt es noch ein Landwirtschaftsbiom.

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Biosphere II Konstruktion III

• Die beiden Lungen sorgen für den Druckausgleich
  von Biosphere II.
• In jeder Lunge ist eine schwere Betondecke
  flexibel aufge-hängt und mit Gummi abgedichtet.
• Wenn die Temperatur in Biosphere II steigt,
  steigt auch der Innendruck.

Somit hebt sich die Betondecke, bis der
Innendruck und der Aussendruck wieder
ausgeglichen sind. Dadurch verhindert man, dass
die Scheiben rausfliegen.
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Biosphere II Biome I

• Der Salzsee ernährt eine komplexe Öko-logie von
  Meertieren.
• Hinter dem See sind die Mangrovensümp-fe. Es
  werden künst-lich Wellen erzeugt, um die
  Mangroven bei guter Gesundheit zu erhalten.
• Rechts oberhalb des Kliffs befindet sich die hohe
  Savanne.

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Biosphere II Biome II

• Hier sieht man die Savannenlandschaft.
• Für jedes der Biome wurde speziell aus-gesuchtes
  Erdreich bereitgestellt.
• Biosphere II unter-hält 1800 Sensoren, deren
  Messwerte im Durchschnitt jede 15 Minuten
  aufgezeich-net werden.

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Biosphere II Biome III

• Das Landwirtschafts-biom kann in drei Unterbiome
  unterteilt werden.
• Links im Hintergrund ist die zweite Lunge.

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Wohnen in Biosphere II

• Die Bibliothek befindet sich in einem hohen Turm
  mit Wendel-treppe.

Der Blick aus der Bibliothek auf die Sonora Wüste
ist atemberaubend.
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Der Regenmacher

• Von der Kommando-zentrale aus kann das Klima in
  jedem Biom einzeln kontrolliert wer-den.
• So kann z.B. in der oberen Savanne für drei Uhr
  nachmittags zehn Minuten Regen ange-sagt werden.

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Die Klimaregelung I

• Die Klimaregelung (im Untergeschoss) ist
  beeindruckend. Biosphere II ist bei weitem das
  komplexeste System, das auf diesem Planeten je
  von Menschen gebaut wurde.

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Die Klimaregelung II

• Es muss ausser der Temperatur auch die
  Luftfeuchtigkeit geregelt werden.
• Dazu muss die Luft dauernd getrocknet werden.
• Das ausfallende Wasser wird am tiefsten Punkt, in
  einer der Lungen gesammelt, von wo es wieder
  hochge-pumpt wird, um den Regenwald zu
  befeuchten.

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Das konzeptuelle Modell
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Das Bondgraphenmodell
Zur Verdunstung wird Ener-gie benötigt. Diese
wird vom thermischen Bereich abge-zogen. Dabei
ergibt sich so-genannte latente Wärme. Bei der
Kondensation wird die latente Wärme wieder
abge-geben. Die Effekte der Verdunstung und
Kondensation dürfen bei der thermischen
Modellierung von Biosphere II nicht
ver-nachlässigt werden.
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Wärmeleitung, Konvektion, Strahlung

• Diese Elemente sind in der bekannten Weise
  modelliert worden. Da die Klimaanlage nicht
  simuliert wurde, ist die Konvektion keine
  erzwungene Konvektion und kann daher im
  Wesentlichen wie Wärmeleitung behandelt werden.

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Verdunstung und Kondensation

• Bei der Verdunstung und Kondensation handelt es
  sich um nichtlineare (modulierte) Widerstände.
• Diese wurden nicht graphisch, sondern mittels
  Gleichungen erfasst.

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Das Dymola Modell I

• Das Dymola Gesamt-modell ist links abge-bildet.
• Das Bild zeigt die Ikone des Gesamtmodells.

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Das Dymola Modell II
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Das Dymola Modell III
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Konvektion
Rth R T
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Strahlung
Rth R / T 2
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Verdunstung des Salzwasserteichs
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Kondensation in der Atmosphäre
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Umgebungstemperatur

• Die Umgebungstemperatur wurde in diesem Modell
  mittels Interpolation in einer grossen
  Temperaturdatenbank ermittelt.

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Nachthimmeltemperatur
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Sonneneinstrahlung / Windgeschwindigkeit
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Absorption, Reflektion, Transmission
Nachdem die Glasscheiben in alle Richtungen
zeigen,
wäre es zu schwierig gewesen, die Physik der
Absorption, Reflektion und Transmission voll zu
berücksichtigen, wie wir dies beim letzten
Beispiel taten. Stattdessen wurde die
einfallende Strahlung proportional aufgeteilt.
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Aufteilung der absorbierten Strahlung
Die absorbierte Strahlung wurde proportional
unter den verschiedenen Empfän-gern innerhalb
Biosphere II aufgeteilt.
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Das Dymola Biosphere Paket
Wir sind nun dazu bereit, das Biosphere Modell zu
übersetzen und zu simulieren.
(Die Übersetzung ist recht langsam, da Dymola
nicht dafür ausgelegt ist, in grossen
Messwertdatenbanken zu interpolieren.)
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Simulationsresultate I

• Das Modell verfügt über Wetter-daten, die den
  Verlauf der Umge-bungstemperatur sowie
  Bewöl-kungsdaten dem Programm zur Verfügung
  stellen.
• Ohne Klimaregelung folgt die Innentemperatur im
  Wesentli-chen der Aussentemperatur.
• Es gibt einen leichten Hitzestau.

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Simulationsresultate II

• Da der See eine wesentlich hö-here Wärmekapazität
  aufweist, ergeben sich kleinere tägliche
  Temperaturschwankungen.
• Die langfristige Temperatur folgt aber immer noch
  der Aussentemperatur.

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Simulationsresultate III

• Die Luftfeuchtigkeit ist im Som-mer viel höher
  als im Winter, da der Sättigungsdruck bei höherer
  Temperatur höher liegt. Somit fällt im Sommer
  weniger Wasser aus.
• Tatsächlich sieht man häufig, dass sich abends
  bei Abkühlung zunächst in der hohen Savanne
  Nebelschwaden bilden, die schliesslich den
  Regenwald in dichten Nebel versetzen.

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Simulationsresultate IV

• Tägliche Temperaturschwan-kungen in den
  Sommer-monaten.
• Die Lufttemperatur innerhalb Biosphere II würde
  innerhalb eines Tages um ca. 10oC schwanken,
  falls es keine Klimaregelung gäbe.

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Simulationsresultate V

• Temperaturschwankungen in den Wintermona-ten.
  Die täglichen Schwankungen belaufen sich wiederum
  auf ca. 10oC.

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Simulationsresultate VI

• Die relative Feuchtigkeit berechnet sich aus dem
  Quotient der tatsäch-lichen Feuchtigkeit und der
  Feuch-tigkeit beim Sättigungsdruck.
• Die Atmosphäre ist eigentlich immer gesättigt.
  Nur in den Vormittagstunden, wenn die Tem-peratur
  steigt, vergeht der Nebel vorübergehend, und die
  Sonne sticht kurz durch.
• Die relative Luftfeuchtigkeit sinkt aber nie
  unter 94.

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Simulationsresultate VII

• In einem geschlossenen System wie Biosphere II
  führt die Verduns-tung notgedrungen zu einem
  Ansteigen der Luftfeuchtigkeit.
• Die feuchte Luft hat aber keinen Mechanismus zum
  Austrocknen ausser der Abkühlung. Somit operiert
  das System eigentlich immer in der Nähe von 100
  Luftfeuchtigkeit.
• Die Klimaregelung trägt dem Rechnung. Die
  abgesaugte Luft wird zunächst abgekühlt, damit
  Wasser ausfällt und erst dann durch Erwärmung
  wieder auf den gewünschten Temperaturwert
  gebracht.
• Die Klimaregelung wurde hier aber noch nicht
  simuliert.
• Eine Modellierung der Klimaregelung von Biosphere
  II ist noch in Arbeit.

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Referenzen I

• Nebot, A., F.E. Cellier, and F. Mugica (1999),
  Simulation of heat and humidity budgets of
  Biosphere 2 without air conditioning, Ecological
  Engineering, 13, pp. 333-356.
• Brück, D., H. Elmqvist, H. Olsson, and S.E.
  Mattsson (2002), Dymola for Multi-Engineering
  Modeling and Simulation, Proc. 2nd International
  Modelica Conference, pp. 551-8.
• Cellier, F.E. and R.T. McBride (2003),
  Object-oriented modeling of complex physical
  systems using the Dymola bond-graph library,
  Proc. ICBGM03, Intl. Conference on Bond Graph
  Modeling and Simulation, Orlando, Florida.

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Referenzen II

• Cellier, F.E. (2005), Die Dymola
  Bondgraphenbibliothek, Version 1.1.
• Cellier, F.E. (1997), Tucson Wetter Daten für
  Matlab.