Die Gebäudesimulationsplattform NANDRAD

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1 Fakultät Architektur Institut für Bauklimatik, Professur für Bauphysik Die Gebäudesimulationsplattform NANDRAD Andreas Nicolai & Anne Paepcke TU Dresden, Germany

2 Motivation & Ansatz Der Anspruch: energetische Betrachtung großer Gebäude unter Verwendung erweiterbarer, komplexer physikalischer Modelle, ohne Vereinfachungen aus Gründen der numerischen Leistungsfähigkeit Energy+, TRNSYS, BSim, IDA, Modelica, FMI Neue Konzepte (& Ideen aus DELPHIN 6) NANDRAD Plattform für komplexe (Gebäude-) Simulation Folie 2 von 20

3 Entwicklungsschwerpunkte Datenmodell spezialisiert und gleichzeitig erweiterbar Datenimport (IDF, IFC) Arbeitprozess und Datenfluss Physikalische Formulierung nach Stand der Forschung Numerische Lösung korrekte und schnelle Lösung der physikalischen Gleichungen Modellauswertung Graphenalgorithmen Funktionale und datenseitige Erweiterungsfähigkeit Optimierung: vorkonditionierte Newton-Krylow-Methoden Parallelisierung Parametrisierung der iterativen Löser und des Vorkonditionierers Folie 3 von 20

4 Physikalisches Modell - Überblick Datenmodell bildet klassisches Multizonennetzwerk ab Folie 4 von 9

5 Physikalisches Modell - Überblick Bilanzgleichungen: 1. Raum/Zonenbilanzen 2. Wandelemente (raumdiskretisierte PDE) Prozessgleichungen: Wärmeleitung Strahlungsgewinne (Fenster) Heizung/Kühlung Technologieentwicklung Keine reine Softwareentwicklung Modellvielfalt begrenzt Entwicklungsschwerpunkte sind Numerik, Simulationskopplung, Datentransferprozesse Folie 5 von 20

6 Lösungsverfahren - Überblick Vorkonditionierte Newton-Krylow-Methode Teilaufgaben: 1. Jacobi-Matrix erstellen Numerisch über Richtungsableitungen, benötigt viele Auswertungen der Systemfunktion 2. Newton-Iteration Je eine Auswertung der Systemfunktion je Iteration 3. Lösung des linearen Gleichungssystems Krylow-Unterraummethode Folie 6 von 20

7 Auswertung der Systemfunktion Systemfunktion enthält Auswertung des physikalischen Modells Zeitpunkt und Erhaltungsgrößen t, y Systemfunktion yɺ = (, ) f t y yɺ Divergenzen/Zeitableitung der Erhaltungsgrößen Folie 7 von 20

8 Auswertung der Systemfunktion #1 Beispiel: Eine Zone mit Umfassungskonstruktionen und Heizung Erhaltungsgrößen: Energiedichte des Raumes, U R Energiedichten in Wandelementen (FVM) u w, i Algorithmus: 1. Raumtemperatur 2. Wandoberflächentemperatur 3. Wärmeströme von Wand zu Raum 4. Wärmeströme aus Heizung 5. Wärmestrombilanz (, ρ ) / ( ) T = U / c V R R p L L R T = u c ρ w, i w, i p, m m ( ) Qɺ = A α T T w, i w, i w. i w, i R ( ) Qɺ = k min 0, T T H s R Qɺ = Qɺ + Qɺ R w, i H T T R U u R w, i w, i Qɺ T T Qɺ, w, i w, i R H T R Qɺ Qɺ Qɺ, R w, i H Folie 8 von 20

9 Auswertung der Systemfunktion #2 Automatische Auswertung ohne vorgegebenen Algorithmus!? T R U R U R u w, i T u w, i w, i Qɺ T T Qɺ, w, i w, i R H T R Qɺ Qɺ Qɺ, R w, i H T R T w, i Q ɺ H Q ɺ w, i 1. Modellgraphen generieren Q ɺ R 2. Auswertungsreihenfolge bestimmen Folie 9 von 20

10 Auswertung der Systemfunktion #3 Modifizierte Variante von Tarjan s Algorithm T R U R T w, i Q ɺ w, i Q ɺ H = u w, i T R T w, i Q ɺ R Q ɺ w, i Besetzungsschema der Verknüpfungs-Matrix (BLT - Block-Lower-Triangular Form) Q ɺ H Q ɺ R Folie 10 von 20

11 Auswertung der Systemfunktion #4 Ein kleiner Modellgraph (2 Zonen, 3 Wände): Folie 11 von 20

12 Auswertung der Systemfunktion #5 Besetzungsstruktur der dazugehörigen Jacobi-Matrix: Problemspezifische Optimierung! Ausnutzung der schwachbesetzten Struktur bei der Generierung der Jacobi- Matrix Verwendung iterativer statt direkter Gleichunssystemlöser (GMRES, BiCGStab) Problemspezifischer Vorkonditionierer Band(3) Folie 12 von 20

13 Auswertung der Systemfunktion #6 BLT = Modelica Standard + Erkennung paralleler Sequenzen + Block-in-Block Analyse (zyklisch verknüpfte Modellobjekte können mehrere gekoppelte Gleichungen beinhalten, die gemeinschaftlich ausgewertet werden) + semi-konstante Abhängigkeiten - symbolische Vereinfachung (Gleichungen sind in C++ programmiert) - akausale Modellierung (Algorithmierung der Modellobjekte aus Sicht der Leistungsoptimierung) = NANDRAD Graphenalgorithmus und Modellauswertungsroutine Folie 13 von 20

14 Parametrisierung Projektdatei + Klimadaten + Konstruktionsaufbauten (DELPHIN 6 Format) + Materialdatenbank (DELPHIN 6 Materialien) + Zeitpläne und Raumnutzungstypen im XML-Format: Spezifikation: NANDRAD Engineering Reference V.1.0 (Teil des Projektabschlussberichts) Folie 14 von 20

15 Implizite vs. explizite Parametrisierung Implizite Parametrisierung aus Definitionsblock (z.b. Zone, ConstructionInstance) mit Attributen werden mehrere Modellobjekte automatisch generiert und automatisch verknüpft vereinfacht Datenspezifikation und reduziert Fehleranfälligkeit Explizite Parametrisierung ein Parameterblock für jedes (nutzerdefinierte) Modellobjekt Verknüpfungen zwischen Modellen werden unidirektional explizit angegeben Folie 15 von 20

16 Implizite vs. explizite Parametrisierung Folie 16 von 20

17 Implizite vs. explizite Parametrisierung Unidirektionale Definition von Abhängigkeiten Folie 17 von 20

18 Technologievergleich NANDRAD TRNSYS/E+ Leistungsfähigkeit NANDRAD: variable Zeitschrittsteuerung, Genauigkeitskontrolle, numerische Stabilität, problemspezifische Optimierung große Gebäude mit komplexer Anlagentechnik und vielen Lösungsvariablen können in vernünftigen Zeiten (Stunden) gerechnet werden Modellkomplexität TRNSYS/E+: deutliche größere Zahl physikalischer Modelle Parametrisierung NANDRAD: Datenmodell für Import von BIM-Daten (IFC) vorbereitet, Verwendung von Standard-Datenformaten (XML) Folie 18 von 20

19 Technologievergleich NANDRAD Modelica Leistungsfähigkeit Modelica: rechnet ab 400 Zustandsgrößen in Echtzeit NANDRAD: rechnet noch bei >10000 Zustandsgrößen mit über 1h/s Geschwindigkeit möglich durch problemspezifische Optimierung, nicht möglich bei generischen Simulationssystemen) Parametrisierung Modelica: direkte Verknüpfung von Modellparametern und Gleichungen (Funktionalität) NANDRAD: Trennung von Funktionalität (implementierte Gleichungen) und Parametrisierung wichtig für Variantenrechnungen während der energetischen/regelungstechnischen Optimierung Folie 19 von 20

20 Zusammenfassung & Ausblick Fazit Entwicklungsschwerpunkte der NANDRAD Plattform Bedienbarkeit 1. implizite Parametrisierung und Modellverknüpfung 2. Trennung von Modell und Parametrisierung Leistungsfähigkeit 1. Dynamische Zeitschrittsteuerung, Newton-Krylow- Methode, problemspezifische Vorkonditionierer Ausblick Parallelisierung von Systemfunktionauswertung und Lösungsalgorithmus Datenfluss: CAD IFC eebim NANDRAD eebim Folie 20 von 20

21 Fakultät Architektur Institut für Bauklimatik, Professur für Bauphysik Die Gebäudesimulationsplattform NANDRAD Andreas Nicolai & Anne Paepcke TU Dresden, Germany