FAST-Energy-Design

Planungswerkzeug zur optimierten Schnellauslegung für Energiesysteme im industriellen und kommunalen Bereich

1. Zwischenbericht 2019 - März 2019

Laufzeit des Vorhabens: 01.01.2018 bis 30.06.2019 

Berichtszeitraum: 01.01.2019 bis 31.03.2019 

Aufzählung der wichtigsten wissenschaftlich-technischen Ergebnisse und anderer wesentlicher Ereignisse

Umgesetzt wurde die Schnittstelle zwischen Rechenkern und Optimierer als VSTO-Addin für Excel. Diese Umsetzung hat den Vorteil, dass die ursprüngliche Programmierung des Optimierers in C-Sharp (C#) beibehalten werden kann und lediglich der Schnittstelle bzw. dem Rechenkern angepasst werden musste. Analog zur Integration des Wärme- bzw. Kältespeichers in das Tool war eine Programmierung des Optimierers in VBA (Visual Basic for Applications) aufgrund der Komplexität der Programmierung und der damit einhergehenden Laufzeit des Optimierers nicht erstrebenswert, sodass der Optimierer in der für die Anwendung schnelleren Programmiersprache C# umgesetzt wurde. Mit Hilfe des Applikation-Objekts Microsoft.Office.Interop.Excel können gängige VBA-Programmierungen in C# verwendet werden. Hierdurch ist ein direkter Zugriff aus der C#-Programmierung des VSTO-Addins auf einzelne Tabellenblätter bzw. Zellen in Excel möglich und ein zusätzliches Aufrufen eines VBACodes ist nicht vonnöten. Dies führt zu kürzeren Laufzeiten des Optimierers und somit zu einer höheren Güte der Schnittstelle in Bezug auf die vorliegende Anwendung. 

Des Weiteren ist durch diese Schnittstelle eine für den Anwender einfache In- bzw. Deinstallation des Optimierers gegeben, da sich diese analog zu gängiger Software auf dem Markt verhält. So wird der Optimierer beispielsweise unter Systemsteuerung/Programme aufgeführt und kann dort, wie von Nutzern gewohnt, deinstalliert werden. Nachteilig an der gewählten Schnittstelle ist, dass eine kompatible bzw. aktuelle .NET Framework Version (4.7.2 oder höher) vorausgesetzt wird. Diese wird allerdings bei kommerzieller Software automatisch aktualisiert oder muss gegebenenfalls über die Microsoft Internetpräsenz manuell aktualisiert werden.

Eine abschließende Bewertung der Schnittstelle steht momentan noch aus, da hierfür noch weitere Tests erforderlich sind. Anpassungen am Programmcode bzw. der Schnittstelle sind ebenfalls anhand der Arbeitsergebnisse aus Arbeitspaket 4 zu erwarten.

Der im Ausblick des vorherigen Zwischenberichts (01.06.2018 bis 31.12.2018) theoretisch vorgestellte Entwurf für die Benutzeroberfläche wurde weiter ausgearbeitet und als VBA-Programmierung umgesetzt. Im Folgenden wird vor allem auf die Verwendung des Tools durch den Nutzer näher eingegangen.

Zur Nutzung des Tools sind die drei Tabellenblätter Hauptebene, Profile und Ergebnisse ausschlaggebend, wobei die Tabellenblätter Hauptebene und Profile der Eingabe des Systemkonzeptes / des Anwendungsfalles dienen. Das Tabellenblatt Ergebnisse hingegen dient der Darstellung der Simulations- bzw. Optimierungsergebnisse.

Das Tabellenblatt Hauptebene dient dazu, den Modus, die Lasten, die durch das Systemkonzept gedeckt werden müssen, und die Erzeuger des Systemkonzepts auszuwählen. Abbildung 1 zeigt die im Tabellenblatt Hauptebene umgesetzte Benutzeroberfläche. 

Zunächst wird vom Nutzer die Auswahl des Modus über ein drag and drop Reiter benötigt. Dabei wird zwischen einem reinen Simulations- und einem Optimierungsmodus unterschieden. Im reinen Simulationsmodus wird ein spezifisches Systemkonzept simuliert und im Optimierungsmodus wird ein Systemkonzept innerhalb eines vom Nutzer eingegebenen Bereiches optimiert. Zusätzlich wird für jeden Modus eine Einsteiger- und Expertenvariante angeboten. Diese unterscheiden sich in der Komplexität der Eingabemöglichkeiten in den Eingabe-Masken der einzelnen Erzeuger. Des Weiteren werden im oberen Bereich der Hauptebene die zu deckenden Lasten ausgewählt (Wärme-, Kälte- oder Strombedarf) und ob bei den entsprechenden Lasten eigene Profile vorliegen oder ob ein Lastprofil über eine Regressionsfunktion bestimmt werden soll.

In Abbildung 2 wird der obere Bereich der Hauptebene zur Auswahl des Modus, der Lastprofile und der Wetterdaten vergrößert dargestellt. 

Liegen eigene stündliche Lastprofile vor, können diese im Tabellenblatt Profile eingetragen werden. Das Tabellenblatt Profile passt sich dabei der Auswahl aus dem Tabellenblatt Hauptebene an. Dies bedeutet, dass nur Lastprofile eingegeben werden können, die in der Hauptebene ausgewählt wurden. Wurde beispielsweise kein Wärmebedarf oder eine Regressionsfunktion für den Wärmebedarf ausgewählt, so wird die entsprechende Spalte zur Eingabe im Tabellenblatt Profile ausgeblendet. Für den Fall, dass ein Lastprofil über eine Regressionsfunktion bestimmt werden soll, muss der Anwendungsfall über einen drag and drop Reiter und der Jahresgesamtbedarf in der entsprechenden Zelle im Tabellenblatt Hauptebene angegeben werden. Für einige Erzeuger bzw. für die Regressionsfunktion des Wärmebedarfs werden Wetterdaten benötigt. Der Nutzer hat hierbei ebenfalls die Möglichkeit, eigene stündlich aufgelöste Profile für die Außenlufttemperatur, die Globalstrahlung und die Windgeschwindigkeit zu verwenden oder auf voreingegebene Wetterdaten des Standortes Düsseldorf zurückzugreifen. Dabei erfolgt die Auswahl ebenfalls über einen drag and drop Reiter im Tabellenblatt Hauptebene. 

Im unteren Bereich des Tabellenblattes Hauptebene stellt der Nutzer das Systemkonzept ein. Je nach eingestellten Lastprofilen stehen hier unterschiedlicher Erzeuger zur Wärme-, Kälte- und Stromerzeugung zur Verfügung, sowie die Speicherung der jeweiligen Energie. Analog zu den Last-/Wetterprofilen werden beim Systemkonzept die entsprechenden Erzeuger bei nicht ausgewählten Lastprofilen (Wärme-, Kälte- oder Strombedarf) ein- bzw. ausgeblendet. Wird beispielsweise kein Kältebedarf ausgewählt, dann wird die Spalte mit den Kälteerzeugern ausgeblendet. In Abbildung 3 wird als Ausschnitt aus dem Hauptblatt die Eingabe des Systemkonzeptes dargestellt (mit Wärme-, Kälte- und Stromlast). 

Über die Kontrollkästchen des jeweiligen Erzeugers kann dieser an- bzw. abgewählt werden. Dies wird über das Erscheinen bzw. Verschwinden der entsprechenden symbolischen Darstellung des Erzeugers kenntlich gemacht. Die Eingabewerte der Erzeuger werden über separate Eingabe-Masken an den Rechenkern übergeben. Diese Eingabe-Masken werden mit einem Klick auf die entsprechende symbolische Darstellung des Erzeugers aufgerufen. Welche Werte dabei benötigt werden, ist abhängig vom Erzeuger und vom gewählten Modus. Die Bedienung erfolgt, wie von herkömmlichen Software-Programmen gewohnt, über Eingabefelder, Schaltflächen (Übernehmen/ Abbrechen) und drag and drop Reiter. Um den Nutzer vor falschen Eingaben zu schützen, wurden Sicherheitsabfragen programmiert, die den Nutzer auf diese hinweisen. So wird der Nutzer beispielsweise darauf aufmerksam gemacht, dass bei solarthermischen Anlagen nur Eingabewerte zwischen 0 und 90° für die Neigung der Kollektoren zulässig sind, sofern Werte eingegeben worden sind, die diesen Bereich über- bzw. unterschreiten. 

Das Tabellenblatt Ergebnisse dient der Darstellung der Ergebnisse und wurde so vorformatiert, dass die Ergebnisse auf mehreren druckbaren DIN-A4-Seiten abgebildet werden. Dabei gibt es spezielle Anpassungen in der Darstellung zwischen Simulations- und Optimierungsmodus. In Abbildung 4 wird exemplarisch ein Ausschnitt der ersten Seite der Ergebnisdarstellung des Simulationsmodus abgebildet.

Abgebildet werden unter anderem die Eingabedaten, der Primärenergiebedarf, die Primärenergiefaktoren, die entstandenen Treibhausgasemissionen und die Gestehungskosten, jeweils unterteilt nach Energieart (thermische/ elektrische Energie) und Erzeuger. Die Darstellung erfolgt hierbei einerseits über Tabellenwerte und anderseits über Grafiken (Torten-/ Balken-/Pareto-Diagramm etc.).