Simmodel transformation middleware for modelica-based building energy modeling and simulation

Cao, Jun; Bazjanac, Vladimir; van Treeck, Christoph Alban

doi:37006

Simmodel transformation middleware for modelica-based building energy modeling and simulation

Cao, Jun^RWTH*

2018

VerantwortlichkeitsangabeJun Cao

ImpressumAachen 2018

Umfang1 Online-Ressource (xv, 122 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
van Treeck, Christoph Alban (Thesis advisor)^RWTH* ; Bazjanac, Vladimir (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-01-22

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-221746
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/718959/files/718959.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Energieeffizientes Bauen (312410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
BEM (frei) ; BIM (frei) ; SimModel (frei) ; building energy modeling (frei) ; modelica (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
In der Architecture, Engineering, Construction, Owners and Operators (AECOO) Industrie ist die Erzeugung von Building Energy Models (BEMs) für Building Energy Performance Simulation (BEPS) ein zeitaufwendiger und teurer Prozess. Insbesondere die Behinderung der BEMs durch verschiedene Unstimmigkeiten, z.B. aufgrund von Modellierungsfehlern oder konzeptualen Unterschieden zwischen den AECOO Domänen und deren Modellierungshierarchien, speziell aus geometrischer und topologischer Sicht betreffend der sogenannten Space Boundaries, sind hier als Gründe zu nennen. Ein manueller BEM Entwicklungsprozess, z.B. unter Anwendung traditioneller BEM Werkzeuge wie EnergyPlus, erfordert einen beträchtlichen Aufwand und kann zu Fehlern und Auslassungen führen, was die Kosten des BEM Projektes erhöht.Zur Begegnung dieser Herausforderungen stellt diese Arbeit eine wissenschaftliche Methode zur automatischen Wandlung eines digitalen Building Information Model (BIM) Formates, auch SimModel genannt, in ein objekt-orientiertes nichtkausales Format für Modelica, welches zum Einsatz für fortgeschrittene BEPS genutzt werden kann. Das Ergebnis dieser Arbeit ist eine Middleware, die SimModel mit verschiedenen Modelica BEM Bibliothekenverknüpft, um den BEM Entwicklungsprozess zu verbessern. Das Akronym BIM steht hier für Building Information Modeling oder Building Information Model. Wenn als Nomen genutzt, beschreibt es ein Building Information Model, das eine Instanz des Datenmodells eines Gebäudes ist. Dieses kann beispielsweise multidisplizinäre Daten wie Geometrie, Physik, als auch Beheizung, Belüftung, und Klimaanlage (Heating, Ventilation and Air Conditioning, HVAC) umfassen. Als Verb genutzt, also Building Information Modeling, bezeichnet es the Akt oder Prozess der Erstellung eines Building Information Model.Die Middleware, welche in dieser Arbeit entwickelt wurde, konzentriert sich auf die automatische Umwandlung der HVAC Gebaeudesysteme aus SimModel in ein gleichungsbasiertes BEM Format, insbesondere fuer Modelica. Modelica ist eine freie objektorientierte, gleichungsbasierte Modellierungssprache, welche zunehmend an Bedeutung in der BEM Gemeinde gewinnt. Sie erlaubt es Modellierern auf einfache Weise komplexe physikalische Systeme mit Subkomponenten der Mechanik, Elektrik, Hydraulik usw zu erstellen. Eine typische, manuelle BEM Entwicklung kann so durch die hier vorgestellten Transformationsmethoden beschleunigt werden, indem der vorherrschende, mühsame und fehleranfällige Prozess der manuellen Datenumwandlung und Modellerstellung vermieden wird. Zusammenfassend präsentiert diese Arbeit die folgenden Beiträge: 1. Eine wissenschaftliche Methode zur automatischen Überführung eines digitalen BIM Formates in ein objektorientiertes, nichtkausales Modell für BEPS. Zum Funktionsnachweis des Konzeptes der vorgestellten Methode wird eine quelloffene Implementierung zur Transformations von SimModel Formaten in verschiedene Modelica Bibliotheken erstellt. Dieses Framework konvertiert vorliegende HVAC Komponenteninstanzen und deren physikalische Eigenschaften aus SimModel in die Modelica Welt. 2. Ein Datentransformationsschema, basierend auf der XML Schema Definition (XSD), zur Unterstützung der Datenumwandlung für verschiedene Modelica Bibliotheken, mit gleichzeitig unterschiedlichen Modell Topologien und variierender Syntax. Das Schema definiert mehrere mögliche Abbildungslogiken zwischen SimModel und Modelica. Es speichert generische Abbildungsregeln zur Transformation verschiedener Ebenen von SimModel Daten in Modelica Modelle, wie beispielsweise die Bibliothekebene zur Spezifikation einer BEM Bibliothek, HVAC Komponentenebene, und der internen Eigenschaftsebene einer jeden HVAC Komponente. Basierend auf dem Schema können Simulationsexperten auf einfache Weise einen Datentransformationsprozess zwischen SimModel und mehreren Modelica Bibliotheken definieren, indem die generischen Abbildungsregeln des Schemas verwendet werden. 3. Eine Application Programming Interface (API) für zwei verschiedene Programmiersprachen, die in der Systementwicklung eingesetzt werden. Das Transformationssystem ist grösstenteils in der C++ Programmierspracheimplementiert, um die Systemeffizienz bei der Modell-Uebersetzung zu erhöhen. Die Modelica Datenmodell-Erstellung ist in der Python Programmiersprache entwickelt, da diese grossflächigen Einsatz in der Vor- oder Nachbearbeitung von Modelica-basierten BEM findet. Diese generische API, die die C++ und Python Sprachen verbindet, wird in das Transformationssystem eingebettet und ermöglicht die Kontrolle der Modelica Quellcode Erzeugung fuer Python-basierte Modellierer und Simulationsingeneure. Das vorgeschlagene, flexible Modell Transformationssystem ist eine Verbesserung vorheriger Arbeiten, da es eine generische Methode zur Transformation eines BIM Formates in verschiedene Modelica Bibliotheken zur Beschleunigung der BEM Entwicklung demonstriert. Darüber hinaus behandelten vorherige Arbeiten nur das Verknüpfen einer spezifischer Modelica Bibliothek und der BIM Formate. Falls jedoch Namenskonventionen, Datenrepresäntationen oder Bibliotheksstrukturen anderer Modelica Bibliotheken von der Zielbibliothek abweichen, sind die vorherigen Arbeiten nicht geeignet, um ihre BIM Formate in verschiedene Modelica Bibliotheken zu wandeln. Dieses Defizit wird in dieser Methode behandelt.

In the Architecture, Engineering, Construction, Owners and Operators (AECOO) industry, generation of Building Energy Models (BEMs) for Building Energy Performance Simulation (BEPS) currently is a time consuming and costly process, primarily due to BEMs may be hampered by diverse inconsistencies caused by modeling failures or inconsistencies or simply due to conceptual differences between the AECOO domains and their modeling hierarchy, especially from a geometrical and topological point of view concerning the issue of space boundaries. The manual BEM development process, e.g., using traditional BEM tools such as EnergyPlus, often takes considerable effort and can result in errors and omissions, and adds to the cost of the BEM project. In order to address the challenge, this thesis provides a scientific methodology for automatically transforming a digital Building Information Model (BIM) format, SimModel, into an object-oriented acausal model in Modelica that can be readily used for advanced BEPS. The outcome of the thesis is a transformation middleware developed to link SimModel with different Modelica BEM libraries for improving the BEM development process.The acronym BIM in this thesis represents building information modeling or model. When it is used as a noun, it denotes a building information model which is an instance of the data model of buildings containing multi-disciplinary data, e.g., geometry, physics, and Heating, Ventilation, and Air Conditioning (HVAC), specific to a particular building. When it is using as a verb, i.e., building information modeling, it is the act or process of creating a building information model. Furthermore, Industry Foundation Classes (IFC) is a fully object-based open-BIM data format in the AECOO industry. SimModel is then a BIM format contains all necessary data for BEM and the structure of this model is closely aligned to the IFC data format, in order to link to incoming or outgoing IFC information data, which is also a motivation factor for using SimModel as the starting point for this work. The transformation middleware developed in this thesis focuses on automatically transforming the HVAC systems of buildings from SimModel into equation-based BEM, especially with respect to Modelica. Modelica is a non-proprietary, object-oriented, equation-based modeling language which is becoming more important in the BEM community. It allows modellers to conveniently model complex physical systems containing sub-components ofmechanics, electrics, hydraulics, etc. The typical manual BEM creation is accelerated by the transformation method proposed which avoids the prevalent tedious, cumbersome and error-prone process of manual data transformation and model generation.In summary, this thesis presents the following contributions: 1) proposed a scientific method to automatically transform a digital BIM format into an object-oriented acausal model for BEPS. To prove the concept of the proposed method, the thesis developed an open source transformation system for transforming SimModel into different Modelica libraries. This system framework converts actual HVAC component instances and their physical propertiesfrom the SimModel side into the Modelica world. 2) developed a data transformation schema, based on the XML Schema Definition (XSD), to support the data transformation to multiple Modelica BEM libraries with different model topologies and varying syntax in the meantime. The schema model defines possible data mapping logics between SimModel and Modelica. It stores generic mapping rules for transforming different levels of SimModel data intoModelica models, such as the library level for specifying a target Modelica BEM library, HVAC component level, and the internal property level of each HVAC component. Based on the schema model, simulation experts can easily define a specific data transformation process between SimModel and different Modelica libraries by re-using the generic mapping rules of the schema model. 3) presented a generic Application Programming Interface (API)for interfacing two different programming languages used in the system development. The main parts of the transformation system are implemented in the C++ programming language, in order to accelerate the system efficiency on model transformation. The Modelica data model generation is then developed in the Python language as it is widely used in the pre- or post-processing of Modelica-based BEM. This generic API, interfacing C++ and Python languages, is embedded in the transformation system, and provides control on the Modelica code generation for the Python-based modellers and simulation engineers. The proposed flexible model transformation system is an enhancement to current work by demonstrating a generic method for transforming a BIM format into different Modelica libraries in order to accelerate the BEM development. In addition, the other related works focused on linking one specific Modelica library to their BIM formats. When namingconventions, data representations or library structures of the other different Modelica libraries differ from the target library, the other works are not suitable for transforming their BIM formats into different Modelica libraries. This shortcoming was addressed in the proposed method.

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