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M. Gladt:
"An algorithm for the automatic reduction of multi-zone models for thermal building simulation";
Supervisor, Reviewer: T. Bednar, E. Weinmüller; Institut für Hochbau und Technologie, Forschungsbereich für Bauphysik und Schallschutz, 2014; oral examination: 2014-05-27.

Thermal simulations are an important means to predict the energy performance of buildings or groups of buildings or even whole cities. In particular with long term simulations the performance is vital for achieving good results in an acceptable amount of time.
RC models are well suited for simulating multi-zone models or running long-term simulations or a combination of both. They also have advantages regarding the clear mapping between zones and construction elements on the one side and the elements of the underlying equations on the other side. This is also helpful in the creation of an intuitive user interface because the geometric and physical properties of a building are usually better understood by users than the relevant differential equation system.
The implementation of the equation system is based on Python due to its object-orientated design as well as due to the solvers that come with Python´s SciPy and due to its powerful algebraic capabilities.
Control systems for HVAC are integrated with the model at hand. Time-driven strategies are taken into account as well as temperature-driven ones in order to reflect a realistic behavior of the model. An explicit representation of the heating and cooling load is given in order to achieve accurate results without performance losses.
Despite the limited order of RC models e.g. compared with common finite-volume ones the performance may be insufficient for running multi-zone long-term simulations in an acceptable amount of time. Thus reasonable reduction algorithms are desirable in order to enhance the performance even more. Several reduction algorithms are outlined and can be combined or applied separately arbitrarily.
An important part of the algorithm regards the merging of walls depending on their physical properties. Wall merging can be applied in many cases because usually RC models are based on CAD or 3D models and the relevant reduction potential is not exploited at set-up time.
Automatic model reduction based on zone-merging can aim at accurate energy calculation or accurate calculation of temperature profiles. In both cases the reduction is based on the comparison of temperature profiles of individual zones. Influences of initial value conditions are avoided by calculating the periodic steady state prior to zone merging.Manual overriding of automatic reduction methods is possible at all times. Thus also distinct excitations that run the risk of spoiling the simulation result can be taken into account.
Several architectures for the implementation have been investigated and a client-server architecture has been suggested. It has advantages among others regarding the adjustment of the underlying hardware with the simulation engine and the distribution of a tool and the relevant updates to the public.
The user interface is of particular interest if software is to be published. It is relevant for the developers and even more relevant for the intended users. Possible approaches range from browser-based user interfaces to handmade GUIs. An MS Excel-based user interface is presented where the implementation of the client-server communication is accomplished in a plugin.

Gebäudesimulationen zur Vorhersage von Temperaturverläufen in Gebäuden haben in den letzten Jahren an Bedeutung zugenommen. Zunehmend wird nicht nur der Temperaturverlauf in einem einzelnen Gebäude sondern auch in Gebäudegruppen oder ganzen Städten unter Berücksichtigung der jeweiligen Wechselwirkungen simuliert.
RC Modelle zählen zu den Modelltypen die für Langzeit- und Multizonensimulationen am häufigsten verwendet werden. Neben den Vorteilen hinsichtlich der Rechenzeit verfügen sie auch über eine klare Zuordnung von Gebäudeteilen und Zonen zu den einzelnen Gleichungen des zugrundeliegenden Differentialgleichungssystems. Alle Parameter und Teile können im Gleichungssystem identifiziert werden und haben im Rahmen der Simulation eine klar definierte physikalische Bedeutung. Der eindeutige Zusammenhang zwischen dem Modell und dem dazugehörigen Gleichungssystem kann auch das Design von intuitiv zu bedienenden User Interfaces erleichtern.
Die Lösung des Gleichungssystems kann durch einen proprietären oder einen vorgefertigten Gleichungslöser erfolgen. In der vorliegenden Dissertation wurde auf Python und seine SciPy Bibliothek zurückgegriffen. Diese Bibliothek enthält leistungsfähige Implementierungen für algebraische Operationen und Gleichungslöser.
Die Bedeutung von Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik hat in den letzten Jahren ebenfalls zugenommen. Sowohl zeit- als auch temperaturgesteuerte Regelungen oder eine Kombination aus beiden können heutzutage problemlos umgesetzt werden. Eine Möglichkeit für die Berechnung der idealen Heiz- und Kühllasten bzw. der Heiz- und Kühlenergie wird ebenfalls in der vorliegenden Arbeit präsentiert.
Trotz der im Vergleich z.B. zu Finiten-Differenzen-Modellen üblicherweise eher geringen Anzahl an Gleichungen müssen selbst RC Modelle gelegentlich vereinfacht werden um eine Langzeitsimulationen von Multizonenmodellen in absehbarer Zeit zu ermöglichen. Daher sind Methoden um Vereinfachungen zu erzielen nach wie vor gefragt und Gegenstand der Forschung. Mehrere Möglichkeiten zur Vereinfachung werden in der gegenständlichen Arbeit präsentiert und können gemeinsam und einzeln angewendet werden.
Die Zusammenfassung mehrerer Wände in eine einzelne Wand kann bei gleichbleibender Genauigkeit der Ergebnisse zu signifikanten Verkürzungen der Laufzeit führen.Automatische Modellreduktionen können entweder auf eine schnelle Berechnung von Energieverbräuchen oder von Temperaturverläufen abzielen. In beiden Fällen hängt die Entscheidung über die Zusammenlegung von Zonen von der Ähnlichkeit der Temperaturverläufe im periodisch-stationären Zustand ab. Die Berechnung des periodisch-stationären Zustands ermöglicht die Elimination von Einflüssen durch Anfangsbedingungen auf das Temperaturverhalten einzelner Zonen.
Die automatische Zusammenlegung von Zonen kann jederzeit auf einfache Weise manuell übersteuert werden wodurch die Eigenheiten einzelne Modelle (z.B. durch stark unterschiedliche physikalische Eigenschaften einzelner Zonen) berücksichtigt werden können.
Mehrere Architekturen für die Implementierung der Anwendung werden untersucht und eine Client-Server Architektur als die am besten für eine Umsetzung Geeignete vorgeschlagen. Eine Client-Server Architektur hat u.a. Vorteile was die Verbreitung des Tools und die Abstimmung der Hardware mit der Implementierung betrifft.
Das User Interface ist von besonderer Bedeutung wenn die Verteilung der Software an einen größeren Benutzerkreis angedacht ist. Die Möglichkeiten reichen von browserbasierten Lösungen bis zu proprietären GUIs.
Eine Lösung in Form eines Plug-Ins für MS Excel wird vorgeschlagen, sodass die Vorteile eines Tabellenkalkulationsprogramms mit denen einer Bausimulationssoftware kombiniert werden können.