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N. Sterl:
"System Mapping and Generative Hierarchical Zone Control Structure for a Scalable Building Control Logic";
Supervisor, Reviewer: A. Mahdavi, K. Kabele, M. Schuss; Institut für Architekturwissenschaften, Abteilung Bauphysik und Bauökologie, 2019; oral examination: 2019-04-11.

With the rapid development of building technology and the importance of building control in the context of reduction of energy consumption, the Architecture, Engineering and Construction industry (AEC) is directed towards highly integrated building automation and management systems.
To optimize building operations, the design of control systems has to go beyond optimizing the building operation on the level of delimited subsystems or equipment. A holistic system approach of building control allows to exploit optimization potentials within the highly interrelated physical building system. Dealing with complex building systems requires a high degree of cooperation among the participating engineering domains. Development processes call for efficient communication and multidisciplinary collaboration models. This thesis intends to support such control related inter- and transdisciplinary work processes.

The work develops a method to support control-related and multidisciplinary development processes for the planning of building control systems and to improve the coordination between involved engineering domains.
To this, an automatable procedure for a system decomposition and mapping of a building's systems and a consecutive generation process for a multi-level hierarchical control structure is presented.
The thesis follows a structural systems approach and adheres to the classical closedloop control theory.
A modular zone concept is developed for the decomposition and structural mapping of the complex building system into simpler subsystems; the concept also serves for the presentation of the highly interrelated physical effects between these subsystems. These subsystems are combined to single-parameter control circuits and further aggregated to multi-parameter systems.
In an automated process a hierarchical multi-level control scheme with defined coordination tasks is generated. Emphasis is on an automated implementation and on the scalability of the entire process.
The resulting control model represents the system structure and the control hierarchy; it is covering the physical systems in the building, the interacting system characteristics as well as the conceptual model of the building control. This is of special interest when advanced building control strategies as multi-parameter control, hierarchical control and model-based controls are discussed.
The structural approach links to the structure of BIM, respectively to its IFC data models and allows integration into architectural and simulation workflows. The interdisciplinary approach provides multidisciplinary system views to meet the requirements of the participating engineering domains.

Die Bedeutung von Gebäudemanagement für die Reduktion von Energieverbrauch führt dazu, dass die Bauindustrie vermehrt neueste verfügbare Technologien für hochgradig integrierte Systeme in Gebäudeautomation und -regelung einsetzt.
Eine optimierte Planung und der Betrieb von Gebäuden verlangt die Auslegung von Gebäuderegelungssystemen, die über die Steuerung von abgegrenzten Teilsystemen hinausgeht. Ganzheitliche Konzepte der Gebäuderegelung ermöglichen es Optimierungspotentiale auszunützen, die gerade in den Verbindungen der hochgradig verknüpften physikalischen Teilsystemen zu finden sind.
Entwicklungsprozesse mit komplexen Gebäudesystemen setzen einen hohen Kooperationsgrad der beteiligten Ingenieursbereiche voraus und erfordern übergreifendes Verständnis und effiziente Kommunikation.
Das Ziel dieser Dissertation ist es eine Methode zu entwickeln, um für die Planung der Gebäudeautomation regelungsbezogene und disziplinübergreifende Entwicklungs- und Arbeitsprozesse zu unterstützen und die Abstimmung zwischen den Gewerken zu verbessern.
Dazu wird eine automatisierbare Methodik für die Systemdarstellung eines Gebäudes und ein darauf aufbauender Generierungsprozess für eine mehrstufig-hierarchischen Regelungsstruktur präsentiert.
Die Arbeit folgt dabei einem strukturellen Systemansatz und einer Herangehensweise im Sinne der klassischen Regelungstheorie.
Für die Aufteilung des komplexen Gesamtsystems in kleinere Einheiten wird ein modulares Zonen-Konzept zur Abbildung der gekoppelten physikalischen Teilsysteme eines Gebäudes vorgestellt. Die Teilsysteme werden in einfache Regelungskreise eingebunden
und zu Mehrgrößensystemen verknüpft. Diese werden dann in einem mehrstufigen Prozess weiter zu einer Regelstruktur in mehreren hierarchischen Ebenen bzw. Regelkreisen mit unterschiedlichen Koordinationsfunktionen aufgebaut. Besonderer Schwerpunkt liegt
dabei auf einer automatisierbaren Umsetzung und auf der Skalierbarkeit des Prozesses.
Das resultierende Regelungsmodell mit der Darstellung der Systemstruktur und der Regelungshierarchie
deckt sowohl die physikalischen Systeme im Gebäude, die
Korrelationen des Systemverhaltens als auch das Konzeptmodell der Gebäuderegelung
ab.
Von besonderer Bedeutung ist ein solches Regelungsmodell im Zusammenhang mit
hochentwickelten Regelalgorithmen wie Mehrgrößenregelung, hierarchischer Regelung
und modellbasierter Regelungen.
Der vorgestellte strukturelle Ansatz nutzt die Datenstruktur von BIM bzw. der IFC Datenmodelle
und ermöglicht eine einfache Integration in Architektur- und Simulations-
Arbeitsabläufe. Mit seinem interdisziplinären Ansatz stellt das Konzept verschiedene
Systemdarstellungen zur Verfügung, um die Anforderungen der beteiligten Ingenieursbereiche
abzudecken.

Building Automation, IFC, Hierarchy, Systems Logics