W obliczu rosnącego zapotrzebowania na energooszczędne i zrównoważone budynki oraz nowe wymagania, jakie stawiają regulacje PN-EN ISO 52016-1, zaawansowane narzędzia do projektowania i analizy systemów ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji (HVAC) stają się niezbędne. Symulacja odgrywa kluczową rolę w zrozumieniu złożonych interakcji wewnątrz systemów HVAC oraz w optymalizacji ich wydajności.
Modelica - obiektowy, deklaratywny, wielodomenowy język modelowania komponentowego dla złożonych systemów fizycznych, oraz Dymola (Dynamic Modeling Laboratory) - wszechstronne środowisko modelowania i symulacji oparte na języku Modelica, stanowią potężne narzędzia w tym zakresie. Modelica wspiera modelowanie systemów mechanicznych, elektrycznych, elektronicznych, hydraulicznych, termicznych, sterowania, elektroenergetycznych i procesowych. Kluczowe cechy Modelica obejmują akauzalistyczne modelowanie oparte na równaniach oraz obiektową strukturę umożliwiającą ponowne wykorzystanie komponentów. Dymola jest oprogramowaniem firmy Dassault Systèmes do uruchamiania modeli Modelica, oferującym graficzny interfejs użytkownika do ich tworzenia, wykonywania symulacji i analizy ich wyników. Jej wyróżniającą cechą jest wykorzystywanie zaawansowanych algorytmów manipulacji symbolicznych pozwalających na efektywnej symulacje nawet bardzo złożonych systemów opisanych równaniami różniczkowo-algebraicznymi (DAE). Dymola udostępnia również rozbudowane biblioteki wielodomenowe, w tym te dedykowane systemom HVAC.
[
Przykład modelu budynku trzykondygnacyjnego (fragment) z biblioteki Human Comfort (XRG Simulation GmbH; Dymola)
Zastosowanie Modelica i Dymola umożliwia szczegółową analizę, optymalizację i wirtualne prototypowanie systemów HVAC w budownictwie, co prowadzi do poprawy efektywności energetycznej, komfortu użytkowników i redukcji błędów projektowych. Rosnąca złożoność przepisów i ich wymagań, jak PN-EN ISO 52016-1, dotyczących efektywności energetycznej budynków oraz dążenie do budynków o zerowym zużyciu energii zwiększają zapotrzebowanie na zaawansowane narzędzia symulacyjne, takie jak Modelica i Dymola. Narzędzia te są w stanie dokładnie modelować dynamiczne interakcje zaawansowanych systemów HVAC z obudową budynku i odnawialnymi źródłami energii. Tradycyjne obliczenia statyczne i uproszczone narzędzia symulacyjne często nie są w stanie uchwycić niuansów nowoczesnych projektów budynków i zintegrowanych systemów, co czyni Modelica i Dymola niezbędnymi do osiągnięcia ambitnych celów w zakresie efektywności energetycznej.
Modelica opiera się na deklaratywnym modelowaniu, które koncentruje się na opisywaniu fizycznych zależności za pomocą równań, bez konieczności określania kolejności obliczeń. Równania w Modelica reprezentują równość, a nie przypisanie wartości, co pozwala solwerowi na swobodny sposób określenie kolejności ich wykonania. Ta akauzalistyczna natura upraszcza modelowanie wielu zjawisk fizycznych, jak np. przepływów dwukierunkowych i złożonych interakcji, które są powszechne w systemach HVAC. Język Modelica wspiera paradygmat programowania obiektowego do strukturyzowania i ponownego wykorzystania modeli. Klasy służą jako szablony do tworzenia komponentów modelu, enkapsulując zmienne, parametry, równania i algorytmy. Dziedziczenie umożliwia tworzenie wyspecjalizowanych modeli (klas pochodnych), które dziedziczą właściwości z bardziej ogólnych modeli (klas bazowych), co promuje ponowne wykorzystanie kodu i dostosowywanie modeli. Komponenty są instancjami klas, które reprezentują fizyczne obiekty w modelu systemu, połączone za pomocą złączy. Pakiety organizują biblioteki powiązanych modeli, funkcji i typów, ułatwiając zarządzanie dużymi projektami modelowania. Interakcje między komponentami są definiowane za pomocą akauzalistycznych połączeń, które reprezentują fizyczne interfejsy (np. porty termiczne, zawory, etc). Połączenia nie narzucają kierunku przepływu, ale raczej określają fizyczne wielkości, które są wymieniane (np. temperatura i przepływ ciepła, ciśnienie i natężenie przepływu masy). Narzędzia takie jak Dymola automatycznie generują niezbędne równania na podstawie połączonych wielkości, zapewniając spójność fizyczną (np. prawa zachowania).
Hierarchiczna struktura komponentów w modelu Modelica: modele pokoju, ściany oraz przewodzenia ciepła przez ścianę (równania)
Modelica została zaprojektowana do jednoczesnego obsługiwania systemów obejmujących wiele dziedzin fizyki, co jest kluczowe dla systemów HVAC, które z natury obejmują aspekty termiczne (wymiana ciepła, termodynamika), dynamiki płynów (przepływ powietrza i czynnika chłodniczego) oraz sterowania (elektryczne, mechaniczne, cyfrowe). Złącza działają jako interfejsy między komponentami z różnych dziedzin, umożliwiając łatwą integrację różnych zjawisk fizycznych w jednym modelu. Akauzalistyczna, obiektowa natura języka Modelica umożliwia intuicyjne i elastyczne przedstawienie złożonych systemów fizycznych, takich jak systemy HVAC, w porównaniu z tradycyjnymi językami programowania i kauzalistycznymi (przyczynowymi) narzędziami symulacyjnymi. Koncentrując się na podstawowych równaniach fizycznych i połączeniach, a nie na predefiniowanych relacjach wejście-wyjście, Modelica umożliwia inżynierom budowanie modeli, które ściśle odzwierciedlają rzeczywisty system fizyczny, ułatwiając ponowne wykorzystanie i adaptację komponentów w różnych zastosowaniach.
Dymola oferuje kompleksowe środowisko graficzne do tworzenia, symulowania i analizowania modeli zdefiniowanych w języku Modelica. Intuicyjny edytor graficzny umożliwia budowanie modeli poprzez przeciąganie i upuszczanie komponentów z bibliotek oraz łączenie ich między sobą w sposób graficzny.
Katalog komponentów oraz graficzna reprezentacja modelu (połączone komponenty) w Dymola
Środowisko to wspiera również tekstową edycję kodu Modelica w celu zaawansowanego dostosowywania i tworzenia modeli, a także udostępnia narzędzia do parametryzacji i konfiguracji modeli. Dymola zawiera szeroką gamę wbudowanych bibliotek Modelica, obejmujących różne dziedziny inżynierii. Oprócz fundamentalnej Modelica Standard Library oferuje również specjalistyczne biblioteki dla systemów HVAC, systemów termicznych, dynamiki płynów, systemów sterowania itp.. Wykorzystanie sprawdzonych i przetestowanych komponentów, znacząco ułatwia proces tworzenia modeli. Dymola oferuje również najlepszy w swojej klasie solwer, który efektywnie radzi sobie ze złożonymi układami równań różniczkowo-algebraicznych (DAE), wykorzystując zaawansowane techniki manipulacji symbolicznych do optymalizacji układu równań modelu, co pozwala na szybsze i bardziej niezawodne symulacje. Dymola oferuje różne solwery numeryczne (Dassl, Eulera, Radau, Cvode, Lsodar, Ida, Rungego-Kutty i inne) odpowiednie do dynamicznych symulacji systemów HVAC o różnych skalach czasowych i stopniach złożoności.
Dymola udostępnia narzędzia do wizualizacji i analizy wyników symulacji. Umożliwia tworzenie wykresów zmiennych w czasie, tworzenie niestandardowych diagramów oraz eksportowanie wyników w różnych formatach. Wspiera analizy parametryczne, eksplorację przestrzeni projektowej oraz szeroko rozumianą i optymalizację, identyfikacji optymalnych konfiguracji systemu lub parametrów sterowania. Zintegrowane środowisko Dymola, łączące przyjazny interfejs użytkownika z potężnymi możliwościami symulacji i analizy, sprawia, że zaawansowane funkcje modelowania Modelica stają się dostępne dla inżynierów do praktycznego projektowania i optymalizacji systemów HVAC. Graficzne budowanie modeli, w połączeniu z solidnym solwerem i narzędziami do post-processingu, usprawnia pracę od koncepcji projektu do szczegółowej analizy wydajności, umożliwiając inżynierom uzyskanie cennych informacji o zachowaniu systemu HVAC i podejmowanie świadomych decyzji projektowych.
Wykorzystanie Dymola w projektowaniu systemów HVAC oferuje szereg istotnych zalet. Przede wszystkim, umożliwia ona symulację dynamiczną systemów, co pozwala na modelowanie i analizowanie zachowania systemów HVAC w czasie z dowolną rozdzielczością, uwzględniając odpowiedzi na zmiany obciążeń, warunków pogodowych i działania systemów sterujących, co jest to kluczowe dla analizy wydajności, komfortu termicznego i zużycia energii w realistycznych warunkach pracy. Kluczem do tego jest realistyczne modelowanie sterowania, pozwalające na implementację i testowanie zaawansowanych algorytmów sterowania, w tym sterowania z pętlą sprzężenia zwrotnego, regulatorów PID i złożonych sekwencji sterowania, dokładnie tak jak są one implementowane w rzeczywistych systemach. Umożliwia to projektowanie i optymalizację strategii sterowania w celu poprawy efektywności energetycznej i utrzymania pożądanych warunków klimatu wewnętrznego. Kolejną zaletą jest integracja wielu dziedzin, czyli możliwość modelowania interakcji między różnymi polami fizycznymi w systemach HVAC, takimi jak połączenie komponentów termicznych, przepływów i elektrycznych. Jest to niezbędne do dokładnej symulacji złożonych systemów, takich jak pompy ciepła, chillery i centrale wentylacyjne. Dymola umożliwia dzięki temu dokładną analizę efektywności energetycznej, dostarczając szczegółowych informacji o zużyciu energii i wydajności systemów HVAC w różnych warunkach pracy i przy różnych parametrach projektowych. Pozwala to na porównanie różnych układów systemów, strategii sterowania i doboru urządzeń w celu minimalizacji zużycia energii i kosztów eksploatacji.
System ogrzewania i chłodzenia z pompami ciepła i wymiennikami gruntowymi, ilustrujący sterowanie przepływem i mocą w celu utrzymania zadanych temperatur w buforach (HVAC Library; XRG Simulation GmbH; Dymola).
Dymola oferuje również możliwości optymalizacji, umożliwiając znalezienia najlepszych parametrów projektowych lub ustawień sterowania, które pozwolą osiągnąć określone cele wydajnościowe, takie jak minimalizacja zużycia energii lub maksymalizacja komfortu termicznego. Dodatkowo, wspiera również symulacje typu Hardware-In-the-Loop (HIL), co umożliwia testowanie fizycznego sprzętu sterującego z wirtualnym modelem instalacji działającym w Dymola, ułatwiając rozwój i walidację systemów sterowania jeszcze przed ich fizyczną implementacją jak również w trakcie ich eksploatacji, np. w celu przewidywania awarii. Kompleksowe możliwości Dymola pozwalają na przejście od tradycyjnych praktyk projektowania systemów HVAC, opartych na najgorszych przypadkach i stanach ustalonych, do dynamicznego paradygmatu projektowania, który uwzględnia warunki pracy przy częściowym obciążeniu, interakcje systemów sterowania i optymalizację w szerokim zakresie scenariuszy operacyjnych. Dostarczając szczegółowego zrozumienia zachowania systemu w realistycznych warunkach, narzędzie to umożliwiają inżynierom projektowanie bardziej wydajnych, niezawodnych i komfortowych systemów HVAC, co ostatecznie prowadzi do znacznych oszczędności energii i poprawy efektywności energetycznej budynków.
Dostępność specjalistycznych, sprawdzonych i niezawodnych, bibliotek Modelica dedykowanych modelowaniu HVAC jest jedną z kluczowych zalet Dymola. Bogaty zestaw gotowych i sprawdzonych komponentów, jakie oferują biblioteki Modelica dedykowane systemom HVAC, zapewniają inżynierom szeroki zakres możliwości tworzenia złożonych modeli, co znacznie przyspiesza wykonywanie realistycznych symulacji systemów i umożliwia efektywne analizy projektu i jego wydajności. Dostępność bibliotek eliminuje konieczność modelowania podstawowych komponentów HVAC od podstaw, umożliwiając inżynierom szybkie składanie i symulowanie różnych konfiguracji systemów oraz efektywniejsze eksplorowanie różnych opcji projektowych. Podstawę wszystkich bibliotek specyficznych dla HVAC stanowi Modelica Standard Library, która zawiera fundamentalne modele systemów termicznych i płynowych. Zawiera komponenty do wymiany ciepła (przewodzenie, konwekcja, promieniowanie), przepływu płynów (rury, zawory, pompy) oraz właściwości termodynamicznych różnych mediów. Kluczową biblioteką dostępną w Dymola jest HVAC Library (XRG Simulation GmbH) dedykowana do obliczeń przewidywania zużycia energii w budynkach, kompleksach a nawet całych osiedlach. Oferuje szeroki zakres modeli do symulacji budynków, koncentrując się na analizach długoterminowych stanów nieustalonych pozwalając na efektywne projektowanie, integrację jak również monitorowanie w trakcie eksploatacji, nawet bardzo złożonych systemów HVAC. Zawiera ona gotowe modele kanałów wentylacyjnych, nawilżaczy, wymienników ciepła, chillerów, kotłów, pomp ciepła, grzejników, ogrzewania podłogowego i systemów sterowania. Została zaprojektowana w celu projektowania i szybkiej realizacji systemów HVAC dla różnych typów budynków, od domów jednorodzinnych przez duże obiekty biurowe, użyteczności publicznej po olbrzymie centra danych, terminale lotnicze i dworce, zapewniając wysokiej wydajności symulacji pozwalające na efektywne optymalizacje. Jej doskonałym uzupełnieniem jest biblioteka Human Comfort Library, która dostarcza komponenty modeli do szacowania komfortu termicznego użytkowników w pomieszczeniach budynków. Warto dodać, że obie te biblioteki są elementami pakietu bibliotek dostępnych w Dymola.
Model systemu ogrzewania regeneracyjnego z pompą ciepła powietrze-woda, ze sterowaniem i buforem energii z biblioteki HVAC Library (XRG Simulation GmbH; Dymola).
Inną opcją są biblioteki bazujące na bibliotece IBPSA (International Building Performance Simulation Association) takie jak Modelica Buildings Library (Lawrence Berkeley National Laboratory) czy AxiLib (RWTH Aachen University) dedykowane modelowaniu systemów HVAC w budynkach. Zawierają one szeroki zakres modeli komponentów HVAC (chillery, wymienniki ciepła, wentylatory, pompy, nagrzewnice/chłodnice itp.), stref termicznych, magazynów energii, systemów sterowania oraz przepływu powietrza w wielu strefach. Biblioteka Modelica Buildings Library wspiera również kosymulację z programem EnergyPlus w celu szczegółowego modelowania obudowy budynku. Jest aktywnie rozwijana oraz szeroko stosowana w projektach badawczych do różnych zastosowań, w tym projektowania nowatorskich systemów sterowania, złożonych analizy energetycznych oraz monitorowania eksploatacji opartej na modelach.
Dymola znajdują szerokie zastosowanie w projektowaniu systemów HVAC, umożliwiając modelowanie komponentów HVAC z dużą szczegółowością i wysoką rozdzielczością czasową. Można tworzyć szczegółowe modele wymienników ciepła (powietrze-powietrze, ciecz-powietrze, ciecz-ciecz), uwzględniając wymianę ciepła, spadek ciśnienia i efekty zabrudzenia. Możliwa jest symulacja wentylatorów i pomp z uwzględnieniem charakterystyk wydajności, strategii sterowania (np. sterowanie z regulacją prędkości) oraz analizy zużycia energii. Modelowanie nagrzewnic i chłodnic obejmuje uwzględnienie kondensacji, oszronienia oraz sterowania za pomocą zaworów i przepustnic. Możliwa jest także symulacja systemów magazynowania energii cieplnej (zbiorniki wodne, magazyny lodu, materiały zmiennofazowe) w celu przesunięcia obciążenia i poprawy efektywności energetycznej. Dostępne w Dymola komponenty HVAC mogą być bardzo łatwo zastosowane do modelowanie całych systemów, takich jak systemy o zmiennym przepływie powietrza (VAV) z odzyskiem ciepła, nagrzewnicami wtórnymi i sterowaniem strefowym. Możliwe jest modelowanie hydraulicznych systemów grzewczych i chłodniczych z kotłami, chillerami, pompami, zaworami i emiterami ciepła (grzejniki, klimakonwektory, ogrzewanie podłogowe). Można symulować sieci ciepłownicze i chłodnicze z centralnymi źródłami ciepła/chłodu, rurociągami dystrybucyjnymi i przyłączami budynków oraz systemy wentylacyjne, w tym wentylację naturalną, mechaniczną z odzyskiem ciepła i dystrybucję powietrza w budynkach. To co stanowi o wyjątkowości Dymola to możliwość modelowanie systemów sterowania, w pełni sprzężonych z modele fizycznym, a dzięki temu symulowania i wirtualnego testowania różnych strategii zarządzania i kontroli systemem HVAC. Dymola pozwala zaprojektować i symulować dowolne pętle sterowania takiej jak PID ale też szereg innych rodzajów sterowników, w tym regulatory tyrystorowe, regulatory oparte na protokołach LonWorks i BACnet, oraz sterowniki programowalne, które pozwalają na bardziej zaawansowane i dostosowane do potrzeb użytkownika sterowanie pracą urządzeń do regulacji temperatury, wilgotności i przepływu w systemach HVAC. Umożliwia to implementacja zaawansowanych strategii, takich jak predykcyjne sterowanie modelem (MPC), w celu optymalizacji zużycia energii i komfortu termicznego na podstawie prognozowanych obciążeń i warunków pogodowych. Można również opracowywać i testować strategie sterowania oparte na regułach dla określonych scenariuszy operacyjnych i zarządzania energią.
Dymola, wraz z bibliotekami takimi jak Human Comfort i HVAC, dostarcza gotowe modele umożliwiające przewidywanie komfortu cieplnego na podstawie kryteriów matematycznych i graficznych wizualizacji. Jest to kluczowe w inżynierskich zastosowaniach, takich jak precyzyjne wymiarowanie systemów klimatyzacyjnych w budynkach z uwzględnieniem komfortu użytkowników. Środowisko to umożliwia elastyczne modelowanie systemów ogrzewania, wentylacji i klimatyzacji (HVAC) w ramach złożonych symulacji budynków podzielonych na strefy, uwzględniając ich wzajemne interakcje. Modele pozwalają na dynamiczne obliczenia współczynników przenikania ciepła dla przegród wewnętrznych i zewnętrznych, uwzględniają właściwości okien (np. współczynnik SHGC lub g) oraz źródła ciepła i wilgoci pochodzące od ludzi i wyposażenia. Pozwala to na optymalizację zużycia energii i zapewnienie wysokiego komfortu przy minimalnych kosztach. Dzięki zastosowaniu wskaźników takich jak PMV (Predicted Mean Vote) i PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied), możliwa jest szczegółowa analiza wpływu systemów HVAC na komfort cieplny. Kluczową zaletą jest możliwość odwzorowania dynamicznych interakcji pomiędzy budynkiem a systemem HVAC, co pozwala uniknąć uproszczonych założeń i precyzyjnie dobrać parametry instalacji. Możliwości te mają zastosowanie na każdym etapie cyklu życia budynku — od projektu, przez realizację, aż po eksploatację. Projektanci mogą dzięki temu precyzyjnie dobrać moc urządzeń, zoptymalizować rozkład temperatur i przepływów powietrza oraz wcześnie wykrywać potencjalne problemy z komfortem cieplnym, zanim pojawią się koszty budowy. W dużych obiektach biurowych Dymola umożliwia porównanie różnych strategii wentylacji i ogrzewania w strefach otwartych, a w budownictwie mieszkaniowym — optymalizację pracy pomp ciepła i systemów rekuperacji. Inwestorzy zyskują narzędzie do oceny efektywności energetycznej planowanych rozwiązań i przewidywania zwrotu z inwestycji, co jest istotne w kontekście zrównoważonego budownictwa. W budynkach użyteczności publicznej, takich jak szpitale czy szkoły, symulacje w Dymola pomagają zaprojektować systemy gwarantujące optymalne warunki wewnętrzne i minimalizujące ryzyko przegrzewania lub niedogrzewania, co ma bezpośredni wpływ na zdrowie i produktywność użytkowników. Na etapie eksploatacji, Dymola wspiera tworzenie inteligentnych strategii sterowania systemami HVAC, które adaptują się do zmieniających się warunków zewnętrznych i obciążenia wewnętrznego, umożliwiając redukcję zużycia energii i emisji CO2 przez cały cykl życia budynku. Elastyczność i dokładność symulacji, niezależnie od skali (od domów jednorodzinnych po kompleksy wielofunkcyjne), sprawia, że Dymola z biblioteką HumanComfort stanowi niezastąpione narzędzie w projektowaniu oraz eksploatacji budynków spełniających najwyższe standardy komfortu i efektywności energetycznej.
Analiza komfortu wybranego pomieszczenia na podstawie symulacji w Dymola
Należy w tym miejscu podkreślić, że biblioteka HumanComfort została zweryfikowane w oparciu o testy BESTEST. Ten zestaw testów, będący częścią metodologii Międzynarodowej Agencji Energetyki (IEA) dla porównawczej walidacji narzędzi symulacji energetycznej budynków, pozwala na ocenę dokładności programu poprzez porównanie jego wyników z wynikami referencyjnymi. W przypadku Dymola i HumanComfort, wyniki symulacji w wszystkich kategoriach plasują się wśród najdokładniejszych i zawsze mieszczą się w dopuszczalnych marginesach min/max. Maksymalne odchylenie wyników uzyskanych w Dymola z biblioteką HumanComfort od średnich wartości dla BESTEST w analizie ogrzewania i chłodzenia (np. dla Case 600) wynosi mniej niż 3,1% we wszystkich kategoriach.
Modelowanie systemów HVAC w Dymola, dzięki swojej elastyczności i możliwości modelowania systemów wielodomenowych w języku Modelica, otwiera drzwi do wielu nietypowych zastosowań, wykraczających poza standardowe obliczenia obciążeń cieplnych i doboru urządzeń. Umożliwia ona szczegółową analizę dynamiczną i przejściową, pozwalając na badanie reakcji systemu na nagłe zmiany obciążenia, co pozwala na optymalizację strategii sterowania w celu poprawy efektywności energetycznej i komfortu w dynamicznych warunkach, np. w ciągu całego roku. Ponadto, Dymola pozwala na integrację z innymi domenami inżynierskimi, co jest kluczowe dla symulacji kompleksowych systemów budynkowych (BEMS), gdzie system HVAC współdziała z instalacjami elektrycznymi, oświetleniem czy nawet zachowaniami użytkowników, a także pozwala na analizę wpływu gruntu i środowiska zewnętrznego. Narzędzie to jest również idealne do wirtualnego testowania i weryfikacji nowych technologii, umożliwiając wirtualne prototypowanie innowacyjnych rozwiązań HVAC, testowanie ich wydajności przed fizyczną budową oraz weryfikację złożonych scenariuszy awaryjnych. W kontekście komfortu termicznego i jakości powietrza wewnętrznego, Dymola umożliwia szczegółowe mapowanie komfortu poprzez modelowanie rozkładu temperatury, wilgotności i prędkości powietrza, a także włączenie do modeli czynników wpływających na jakość powietrza (np. CO2, pyły), co wspiera projektowanie systemów zapewniających optymalne warunki dla człowieka. Co więcej, Dymola pozwala na tworzeniu cyfrowych bliźniaków (Digital Twins) systemów HVAC, umożliwiając monitorowanie, optymalizację w czasie rzeczywistym oraz predykcyjne utrzymanie ruchu poprzez analizę danych z rzeczywistych czujników i prognozowanie zużycia komponentów. Dzięki swojej solidnej podstawie matematycznej i możliwości symulacji wielodomenowej.
Przykładem nietypowych zastosowań Dymola może być optymalizacja systemu chłodzenia budynku oparty na fotowoltaice (PV), który pozwala na magazynowanie wyprodukowanej energii elektrycznej w akumulatorze elektrycznym oraz energii chłodniczej z agregatu sprężarkowego w zbiorniku zimnej wody, zanim zostanie ona wykorzystana do celów chłodzenia pomieszczeń. Dymola pozwoliła na optymalizację działania tego zintegrowanego systemu, co pozwala na efektywne wykorzystanie energii słonecznej do zasilania procesu chłodzenia, z możliwością magazynowania zarówno energii elektrycznej, jak i chłodniczej. Inny przykład to optymalizowanie sterowania systemu HVAC dla kompleksu budynków składający się z trzech segmentów o łącznej powierzchni użytkowej 3700 m², przeznaczonych na laboratoria, powierzchnie badawcze, konferencyjne i biurowe, w którym zapotrzebowanie na energię do ogrzewania wynosi ok. 60 kWh/(m²ᐧrok), a do chłodzenia około 14 kWh/(m²ᐧrok). System ogrzewania i chłodzenia bazuje w tym przypadku na pompie ciepła wykorzystującej energię geotermalną z dwunastu wymienników gruntowych, każdy o głębokości 120 m. Pompa ciepła ma nominalną moc grzewczą 75 kW (COP 4.4 przy B0/W35) oraz nominalną moc chłodniczą 69 kW (EER 6.0 przy B35/W18). Dymola posłużyła do symulacji zarówno termicznych, jak i hydraulicznych aspektów tego złożonego układu, włączając w to przepływy ciepła w systemie TABS (Thermally Activated Building Systems) oraz dynamikę hydrauliczną sieci rurociągów i wymienników gruntowych. Jej zastosowanie umożliwiło opracowanie i testowanie zoptymalizowanych strategii sterowania, które miały na celu minimalizację zużycia energii końcowej – zarówno przez pompę ciepła, jak i przez pompy cyrkulacyjne, które w takich systemach potrafią odpowiadać nawet za 30% całkowitej energii pomocniczej – przy jednoczesnym utrzymaniu komfortu cieplnego w pomieszczeniach, eliminując problemy z przegrzewaniem lub niedostatecznym chłodzeniem wynikające z dużej bezwładności cieplnej TABS. Dzięki Dymola możliwe jest opracowywanie i testowanie algorytmów wykrywania i diagnozowania usterek (FDD) oraz analizowanie degradacji wydajności systemów HVAC, pozwalając na ocenę wpływu stopniowych awarii, takich jak zanieczyszczenie wymienników ciepła, na ich wydajność i zużycie energii.
Budynek inHaus2 (Duisburg, Germany - Report of IEA EBC Annex 60 Annex 60: New Generation Computational Tools for Building & Community Energy Systems)
Różnorodność zastosowań Dymola w projektowaniu i analizie HVAC, w różnych typach budynków i klimatach, demonstruje jej skuteczność jako narzędzia w osiąganiu efektywności energetycznej, poprawie komfortu i umożliwianiu integracji innowacyjnych technologii. Dymola stanowi wszechstronną platformę do modelowania szerokiego spektrum komponentów i systemów HVAC z różnym poziomem szczegółowości, umożliwiając inżynierom analizowanie wydajności, ocenę różnych opcji projektowych oraz implementację i testowanie złożonych strategii sterowania w środowisku wirtualnym przed fizycznym wdrożeniem. Możliwość reprezentowania zarówno pojedynczych komponentów, jak i zintegrowanych systemów, w połączeniu z elastycznością w implementacji różnorodnej logiki sterowania, czyni Dymola nieocenionymi narzędziami do innowacji i optymalizacji w projektowaniu HVAC.
Całkowicie otwarta architektura modeli w Modelica tworzonych w Dymola oferują szerokie możliwości integracji z innymi narzędziami i platformami wykorzystywanymi w branży budowlanej. Otwarta architektura pozwala na integrację z dowolnym oprogramowaniem klasy BIM, co pozwala na praktycznie dowolne usprawnienie procesu tworzenia modeli we współpracy z dowolnym oprogramowaniem i wykorzystanie dostępnych danych o budynku. Efektem takiej integracji może być zautomatyzowany import geometrii budynku, informacji przestrzennych i układów systemów HVAC do Dymola. Innym przykładem korzyści płynących z tej otwartości jest możliwość kosymulacja z innymi programami, takimi jak np. EnergyPlus, powszechnie stosowanym narzędziem do symulacji energetycznej budynków. Istotą takiej kosymulacji, a więc jednoczesnego użycie dwóch lub więcej narzędzi do symulacji, jest wykorzystanie możliwości EnergyPlus w modelowaniu wymiany i przepływu ciepła w budynku, wpływu oświetlenia dziennego, przy jednoczesnym wykorzystaniu Dymola do szczegółowego modelowania i sterowania systemami HVAC. Rozwiązanie takie zapewnia kompleksowe i bardzo dokładne podejście do symulacji wydajności budynków w przypadku najbardziej wymagających projektów, poprzez połączenie mocnych stron obu narzędzi. Warto tutaj dodać, że w większości przypadków modele w Dymola są wystarczająco dokładne również w zakresie modelowania wymiany i przepływu ciepła w budynku oraz wpływu czynników zewnętrznych. Kluczem do łatwej i szybkiej integracji modeli w Modelica z innymi narzędziami jest wsparcie dla Functional Mockup Interface (FMI), który umożliwia wymianę modeli i kosymulację z szeroką gamą różnych narzędzi i platform symulacyjnych. W przypadku najbardziej wymagających projektów, np. budynków o wyjątkowo złożonych i niestandardowych rozwiązaniach architektonicznych i parametrach konstrukcyjnych, możliwa jest również integracja z oprogramowaniem do obliczeniowej dynamiki płynów (CFD), które umożliwia szczegółową symulację przepływu powietrza i wymiany ciepła wewnątrz pomieszczeń. Połączenie tych zaawansowanych modeli obliczeniowych budynków z modelami systemów HVAC w Dymola, pozwala na wyjątkowo dokładne analizy zupełnie niedostępne innymi metodami.
Modelowanie CFD w Dymola z biblioteką Human Comfort (XRG Simulation GmbH; Dymola)
Zdolność do bezproblemowej integracji modeli tworzonych i obliczanych w Dymola z innymi narzędziami komputerowymi stosowanymi w branży budowlanej znacząco zwiększa także użyteczność tych narzędzi, dając dzięki efektowi synergii możliwość bardziej kompleksowego i multidyscyplinarnego podejście do projektowania i analizy wydajności budynków. Ta interoperacyjność pozwala inżynierom wykorzystać mocne strony różnych technik symulacyjnych i źródeł danych, co prowadzi do dokładniejszych i bardziej wiarygodnych prognoz wydajności budynków i systemów HVAC.
Wdrożenie Dymola w projektowaniu systemów HVAC wiąże się z pewnymi wyzwaniami i wymaga uwzględnienia kilku istotnych aspektów. Jednym z nich jest krzywa uczenia się. Opanowanie środowiska Dymola i języka Modelica, jak każdego nowego zaawansowanego narzędzia, wymaga czasu i pewnego wysiłku. Skuteczne wdrożenie wymaga dedykowanych szkoleń i wsparcia doświadczonego dostawcy rozwiązań. Z drugiej strony efektywne modelowanie systemów HVAC wymaga ekspertyzy w tej dziedzinie, nie tylko solidnej wiedzy z zakresu termodynamiki, wymiany ciepła, mechaniki płynów i systemów sterowania ale również znajomości realiów wykonawczych, wymagań specyficznych dla danego rynku, dostępnych technologii oraz doświadczenia w projektowaniu i integracji zaawansowanych systemów. W takim przypadku bardzo korzystna jest współpraca między ekspertami w dziedzinie modelowania systemowego i symulacji oraz inżynierami projektujący systemy HVAC. Kolejnym kluczowym aspektem dla zapewnienia dokładności i wiarygodności wyników modelowania i symulacji jest walidacja i kalibracja modeli, w oparciu o dane eksperymentalne lub pomiary z rzeczywistych systemów. Pewne składowe modeli, np. dane dotyczące charakterystyk budynków realizowanych w określonej technologii, wymagają kalibracji, polegającej na dostosowaniu parametrów modelu w celu dopasowania go do obserwowanego zachowania systemu. Walidacja i kalibracja są szczególnie istotne w przypadku symulacje bardzo złożonych systemów HVAC, które mogą być również w niektórych przypadkach wymagające obliczeniowo. W przypadku symulacji na dużą skalę lub aplikacji czasu rzeczywistego konieczne mogą być techniki upraszczania modeli, co wymaga dodatkowych weryfikacji i testów. Istotny jest w takich sytuacji wybór odpowiedniego poziomu złożoności modelu, który powinien równoważyć dokładność symulacji z kosztami i nakładami związanymi z tworzeniem modeli.
Skuteczne wdrożenie Dymola do projektowania HVAC wymaga zaangażowania w naukę nowych narzędzi, solidnych podstaw w zakresie zasad działania systemów HVAC oraz rygorystycznego podejścia do tworzenia, walidacji i stosowania modeli, z uwzględnieniem kompromisów między złożonością modelowanego systemu a nakładem pracy na budowanie, testowanie i weryfikowanie samych modeli. Dymola i Modelica oferują znaczące korzyści, ale ich efektywne wykorzystanie zależy od wiedzy i zrozumienia zagadnienia przez użytkownika oraz wsparcia technicznego ze strony dostawcy w tworzeniu modeli i wykonywania symulacji.
Wykorzystanie Dymola w projektowaniu systemów HVAC w budownictwie oferuje liczne korzyści, w tym możliwość dynamicznej symulacji, realistycznego modelowania sterowania, integracji wielu dziedzin fizyki, szczegółowej analizy efektywności energetycznej oraz optymalizacji systemów. Narzędzia te umożliwiają inżynierom i badaczom tworzenie zaawansowanych modeli, które odzwierciedlają złożone zachowanie systemów HVAC w realistycznych warunkach pracy. Wykorzystanie Dymola znacząco przekracza granice tradycyjnych narzędzi, oferując znacznie głębszy wgląd w dynamiczne zachowania systemów HVAC i ich interakcje z otoczeniem.
Dla firm zainteresowanych szybkim i efektywnym wdrożeniem Dymola jako narzędzia wspierającego projektowanie systemów HVAC zaleca się wykorzystanie komercyjnych bibliotek, takich jak Human Comfort i HVAC Library oferowanych wraz z Dymola, dedykowanych dla specyficznych potrzeb aplikacyjnych, gwarantujących pełną kompatybilność z Dymola i możliwości skorzystania ze wsparcia technicznego i merytorycznego dostawcy oprogramowania. Inwestycja w szkolenia i praktyczne warsztaty jest kluczowa dla szybkiego zdobycia biegłości w pracy z Modelica w Dymola. W każdym wariancie ścieżka wdrożenia rozpoczyna się od modelowania prostszych systemów lub komponentów HVAC w celu zdobycia doświadczenia. Kolejnym krokiem jest walidacja i kalibracja modeli przy użyciu dostępnych danych w celu zapewnienia dokładności wyników symulacji. Ważnym etapem jest również rozpoznanie możliwości integracji i współpracy z innymi narzędziami, takimi jak EnergyPlus, czy już wdrożonymi systemami BIM, w celu efektywnego wykorzystania istniejących danych oraz uzyskania efektu synergii w ramach istniejących procesów projektowania. Otwarta architektura modeli w Modelica otwiera również potencjalne obszary przyszłych własnych badań i projektów rozwojowych, w obszarze integrację z platformami BIM, rozbudowy bibliotek o nowe urządzeń HVAC oraz opracowanie własnych standardowów i dobrych praktyk dotyczących wykorzystania Dymola w projektowaniu systemów HVAC. Zaangażowanie w te działania doświadczonych ekspertów modelowanie systemowego, mogących zapewnić wsparcie i wymianę wiedzy, pozwala znacząco skrócić czas wdrożenia i szybko uzyskać realny zwrot z inwestycji w nowe narzędzia i wiedzę.
Modelica i Dymola stanowią cenne narzędzia do zaawansowanego projektowania i analizy systemów HVAC w budownictwie, przyczyniając się do tworzenia bardziej zrównoważonych i energooszczędnych budynków. W miarę zwiększania się priorytetu z jakim branża budowlana traktuje efektywność energetyczną i zrównoważony rozwój, nowych wymagań jak stawia norma PN-EN ISO 52016, wdrożenie zaawansowanych narzędzi symulacyjnych, takich jak Dymola, będzie kluczowe dla projektowania i optymalizacji wysokowydajnych systemów HVAC, czyniąc ją niezbędnymi narzędziami dla przyszłych profesjonalistów w dziedzinie systemów HVAC w budownictwie.