The building sector is one of the largest consumers of energy and producers of greenhouse gas emissions in Ontario, representing 13% of the province’s emissions. Recently, countries have been looking to decrease their emissions in response to climate change. The electrification of space heating and domestic hot water preparation has gained traction in reducing emissions in countries with low emission electricity grids. This thesis proposes a novel energy delivery system called the Integrated Community Energy and Harvesting (ICE-Harvest) system. The ICE-Harvest system is a modified 5th Generation District Heating and Cooling (5GDHC) system. An ICE-Harvest system, much like a 5GDHC system, is a district energy system that incorporates heat pumps to couple the thermal and electrical energy demands of buildings. The ICE-Harvest system uses heat pumps to supply both heating and cooling from a one pipe thermal distribution network. The ICE-Harvest system has unidirectional mass flow in a ring arrangement with branches at each building. Bidirectional energy flow between the network and buildings is permitted, meaning that heat rejection from cooling processes can be recovered in the network to reduce the total system heating load. This concept is referred to as energy sharing. The energy needs of the network, and thus the buildings, are serviced through a centralized generation station referred to as the Energy Management Center (EMC). The EMC regulates the supply temperature of the network to the controlled setpoint. Within the EMC, the primary generation source is a Combined Heat and Power (CHP) unit. The purpose of this CHP is to offset the existing centralized natural gas generators on the Ontario electrical grid. These gas generators operate intermittently and inefficiently as a form of dispatchable generation to stabilize the provincial electrical grid. In this research, it is proposed that ICE-Harvest systems with on-site CHPs could replace these gas generators while providing the same support to the electrical grid at a much higher energy utilization ratio. For an accurate comparison, the CHP is constrained to only turn on according to the electricity system operator's gas generator dispatching schedule. An auxiliary boiler is included in the EMC to provide heat when the CHP is not permitted to operate. However, the possibility for Thermal Energy Storage (TES) to replace this boiler is also explored. An ICE-Harvest system's ideal design depends on the market conditions, building energy demands, and available waste energy sources. This research presents an ICE-Harvest system in a heating demand dominated community located in Ontario, Canada. The community consists of five buildings. The ICE-Harvest system is compared to conventional and alternative building energy systems using the energy consumption data of these buildings. The systems are compared according to their energy consumption, emissions produced, and impact on the electrical grid at both the distribution and transmission levels. The topic of using thermal energy storage in ICE-Harvest systems is also discussed, and a parameter sweep is performed on the thermal energy storage capacity. The results show that the ICE-Harvest system offers demand management opportunities to electricity system operators, substantially reduces annual emissions, and offers improved energy utilization compared to conventional systems. / Thesis / Master of Applied Science (MASc)

During the most recent decades modern equation-based object-oriented modeling and simulation languages, such as Modelica, have become available. This has made it easier to build complex and more detailed models for use in simulation. To be able to simulate such large and complex systems it is sometimes not enough to rely on the ability of a compiler to optimize the simulation code and reduce the size of the underlying set of equations to speed up the simulation on a single processor. Instead we must look for ways to utilize the increasing number of processing units available in modern computers. However to gain any increased performance from a parallel computer the simulation program must be expressed in a way that exposes the potential parallelism to the computer. Doing this manually is not a simple task and most modelers are not experts in parallel computing. Therefore it is very appealing to let the compiler parallelize the simulation code automatically. This thesis investigates techniques of using automatic translation of models in typical equation based languages, such as Modelica, into parallel simulation code that enable high utilization of available processors in a parallel computer. The two main ideas investigated here are the following: first, to apply parallelization simultaneously to both the system equations and the numerical solver, and secondly. to use software pipelining to further reduce the time processors are kept waiting for the results of other processors. Prototype implementations of the investigated techniques have been developed as a part of the OpenModelica open source compiler for Modelica. The prototype has been used to evaluate the parallelization techniques by measuring the execution time of test models on a few parallel archtectures and to compare the results to sequential code as well as to the results achieved in earlier work. A measured speedup of 6.1 on eight processors on a shared memory machine has been reached. It still remains to evaluate the methods for a wider range of test models and parallel architectures.

A simulation model for an automatic gearbox with primary retarder has been constructedand implemented, in this thesis. Together with other modelled vehicle components, thismodel could for example be used for fuel consumption estimation or optimizing vehicleparameters.The mechanical components and the control system inside the automatic gearbox weremodelled separately and then assembled into the nal gearbox model, using the objectorientedprogramming language Modelica. Modelica ensures that each individual componentcan be reused in other models.The gearbox model was validated through a number of test cycles designed to capturedierent vehicle behaviours. The test cycles were recreated in the simulation environmentand the simulation results could be compared to a real vehicle performing the same tests.Validation showed that the model succeeded in its goal, that the implemented model isreproducing similar behaviour as the real gearbox. With gear shifts taking place in aboutthe same situations and converter locking/unlocking occurring the same time in the simulationsas in the real vehicle testing. / I det här examensarbetet har en simuleringsmodell för en automatisk växellåda med primär retarder utvecklats och implementerats. Tillsammans med andra modeller från fordonoch drivlina skulle denna simuleringsmodell kunna användas för att uppskatta ett fordonsbränsleförbrukning eller till att optimera olika fordonsparametrar.De olika mekaniska komponenterna samt kontrollsystemet i växellådan modellerades separat.Dessa modeller kunde sedan sammanfogas för att bygga den slutliga växellådsmodellen.Alla modeller implementerades i det objektorienterade programmeringsspråket Modelica,som tillåter en stor återanvändningsbarhet till vardera enskild komponent.Den implementerade modellen verierades genom ett antal provcykler, utformade för attfånga olika beteenden hos växellådan. Dessa cykler har återskapats i simuleringsmiljön ochmed det kunde resultat från simuleringar jämföras mot data från ett verkligt fordon somutförde samma prov.Från verieringen har slutsatsen dragits att modellen uppfyllde målen med projektet. Målen var, att den slutliga simuleringsmodellen visar ett liknande beteende som en växellåda i ett verkligen fordon. Växlingar och låsning/upplåsning hos momentomvandlareninträande vid ungefär samma situationer i simuleringarna som i provningen med det verkligafordonet.

Das durchgängige Engineering über den gesamten Lebenszyklus ist neben der horizontalen und vertikalen Vernetzung die dritte Säule von Industrie 4.0. Durchgängigkeit im Engineering bedeutet dabei insbesondere Wiederverwendung von Modellen aus vorherigen Entwicklungsphasen. Beispiele hierfür sind die virtuelle Inbetriebnahme sowie die Codegenerierung. Dieser Beitrag stellt dar, wie diese modernen Engineering-Methoden bei der Verwendung von Rexroth Komponenten angewendet werden können. Die Kosten für die Inbetriebnahme neuer technischer Systeme beanspruchen heute einen erheblichen Anteil des Projektbudgets. Insbesondere die Optimierung des Steuerungscodes der Anlage erfordert einen hohen Zeitaufwand. So werden bis zu 70% der Zeit, die für die Inbetriebnahme der Steuerungstechnik benötigt wird, für das Finden und Beheben von Softwarefehlern aufgewendet. Um die Anzahl der Prozessdurchläufe beim Kunden zu reduzieren, kann heute ein großer Anteil dieser Aufgaben virtuell gelöst werden. In diesem Beitrag wird ein Software-Framework für die virtuelle Inbetriebnahme vorgestellt. Dieses Framework kann für mechatronische Systeme, die von Rexroth Komponenten angetrieben werden, eingesetzt werden. Exemplarisch wird dies am Beispiel eines Deltaroboters aus dem Packaging-Bereich präsentiert. Dafür wird die reale SPS-Steuerung der Anlage mit einem Simulationsmodell des Deltaroboters gekoppelt. Zur einfacheren Interpretation der Simulationsergebnisse werden diese mittels einer 3D-Visualisierung graphisch dargestellt. Die Modellierung des Deltaroboters erfolgt in der Modellierungssprache Modelica. Diese eignet sich besonders für domänenübergreifende Systeme. Außerdem erlaubt der objektorientierte Ansatz eine hohe Wiederverwendbarkeit der verwendeten Modelle. Die Kopplung von Rexroth Industriesteuergeräten und der Simulation wurde mit Hilfe des OpenCore-Interfaces realisiert. Die entwickelten Modelle wurden durch Messungen mit verschiedenen Bewegungsabläufen des Deltaroboters bestätigt. Somit ist es möglich, zukünftige Anlagen dieses Typs virtuell in Betrieb zu nehmen und die Anzahl der Iterationen, während der Inbetriebnahme, deutlich zu reduzieren. Dies setzt voraus, dass das imulationsmodell das dynamische Verhalten der Anlage ausreichend genau abbildet. Neben der virtuellen Inbetriebnahme ist die Codegenerierung eine wichtige Technologie, um vorhandene Modelle in weitere Entwicklungsphasen zu übernehmen. Insbesondere erlaubt die Codegenerierung die Übernahme von Modellen in die Betriebsphase des Systems. Der wohl bekannteste Anwendungsfall der Codegenerierung ist das Rapid Control Prototyping. Neben der Möglichkeit zur Generierung von Steuerungscode gibt es jedoch auch Use-Cases, die die Simulation eines physikalischen Systems auf dem Steuergerät voraussetzen. Hierzu zählt beispielsweise die modellbasierte Diagnose, die modellbasierte Regelung oder die virtuelle Inbetriebnahme auf Basis einer Simulation auf dem Steuergerät. In diesem Beitrag wird eine Toolchain zur Generierung von Code aus Modelica, der auf Rexroth Steuergeräten ausgeführt werden kann, vorgestellt.

Das durchgängige Engineering über den gesamten Lebenszyklus ist neben der horizontalen und vertikalen Vernetzung die dritte Säule von Industrie 4.0. Durchgängigkeit im Engineering bedeutet dabei insbesondere Wiederverwendung von Modellen aus vorherigen Entwicklungsphasen. Beispiele hierfür sind die virtuelle Inbetriebnahme sowie die Codegenerierung. Dieser Beitrag stellt dar, wie diese modernen Engineering-Methoden bei der Verwendung von Rexroth Komponenten angewendet werden können. Die Kosten für die Inbetriebnahme neuer technischer Systeme beanspruchen heute einen erheblichen Anteil des Projektbudgets. Insbesondere die Optimierung des Steuerungscodes der Anlage erfordert einen hohen Zeitaufwand. So werden bis zu 70% der Zeit, die für die Inbetriebnahme der Steuerungstechnik benötigt wird, für das Finden und Beheben von Softwarefehlern aufgewendet. Um die Anzahl der Prozessdurchläufe beim Kunden zu reduzieren, kann heute ein großer Anteil dieser Aufgaben virtuell gelöst werden. In diesem Beitrag wird ein Software-Framework für die virtuelle Inbetriebnahme vorgestellt. Dieses Framework kann für mechatronische Systeme, die von Rexroth Komponenten angetrieben werden, eingesetzt werden. Exemplarisch wird dies am Beispiel eines Deltaroboters aus dem Packaging-Bereich präsentiert. Dafür wird die reale SPS-Steuerung der Anlage mit einem Simulationsmodell des Deltaroboters gekoppelt. Zur einfacheren Interpretation der Simulationsergebnisse werden diese mittels einer 3D-Visualisierung graphisch dargestellt. Die Modellierung des Deltaroboters erfolgt in der Modellierungssprache Modelica. Diese eignet sich besonders für domänenübergreifende Systeme. Außerdem erlaubt der objektorientierte Ansatz eine hohe Wiederverwendbarkeit der verwendeten Modelle. Die Kopplung von Rexroth Industriesteuergeräten und der Simulation wurde mit Hilfe des OpenCore-Interfaces realisiert. Die entwickelten Modelle wurden durch Messungen mit verschiedenen Bewegungsabläufen des Deltaroboters bestätigt. Somit ist es möglich, zukünftige Anlagen dieses Typs virtuell in Betrieb zu nehmen und die Anzahl der Iterationen, während der Inbetriebnahme, deutlich zu reduzieren. Dies setzt voraus, dass das imulationsmodell das dynamische Verhalten der Anlage ausreichend genau abbildet. Neben der virtuellen Inbetriebnahme ist die Codegenerierung eine wichtige Technologie, um vorhandene Modelle in weitere Entwicklungsphasen zu übernehmen. Insbesondere erlaubt die Codegenerierung die Übernahme von Modellen in die Betriebsphase des Systems. Der wohl bekannteste Anwendungsfall der Codegenerierung ist das Rapid Control Prototyping. Neben der Möglichkeit zur Generierung von Steuerungscode gibt es jedoch auch Use-Cases, die die Simulation eines physikalischen Systems auf dem Steuergerät voraussetzen. Hierzu zählt beispielsweise die modellbasierte Diagnose, die modellbasierte Regelung oder die virtuelle Inbetriebnahme auf Basis einer Simulation auf dem Steuergerät. In diesem Beitrag wird eine Toolchain zur Generierung von Code aus Modelica, der auf Rexroth Steuergeräten ausgeführt werden kann, vorgestellt.

Im Rahmen der Arbeit werden Modelle zur Beschreibung des stationären und instationären Betriebsverhaltens der Komponenten der Vergasungsinsel - Bunker, Druckschleuse, Einspeisebehälter, Vergaser, Quench, Venturi-Wäscher, Teilverdampfer und Abscheider - in der Modellierungsumgebung Modelica/Dymola entwickelt. Im Vordergrund steht dabei die Entwicklung eines Modells des SFGT-Vergasers, das den Wärmeeintrag in den Kühlschirm berücksichtigt. Die verwendete Modellierungstiefe der einzelnen Komponenten ermöglicht die Erfassung des Einflusses aller wesentlichen Größen. Damit wird sowohl die genaue Beschreibung einzelner Anlagenkomponenten der Vergasungsinsel als auch die Beschreibung der gegenseitigen Wechselwirkungen ermöglicht. Mit dem entwickelten Modell des SFGT-Vergasers werden umfassende Untersuchungen zum Wärmeeintrag in den Kühlschirm durchgeführt.

Cette thèse a pour objectif le développement d’une méthode de pré-dimensionnement des systèmes mécatroniques prenant en compte l’aspect vibratoire sans passer par des techniques de conception coûteuses en temps de calculs et de mise en œuvre, telles que la CAO 3D et la méthode des éléments finis.Dans la phase amont de choix d’architecture du processus de conception des systèmes mécatroniques, des modèles analytiques simples sont nécessaires à l’architecte du système mécatronique afin de lui permettre de faire des choix d‘architecture prenant en compte les contraintes multi-physiques, notamment les vibrations. Dans ce but, une bibliothèque de modèles analytiques d’éléments mécaniques flexibles simples a été développée dans cette thèse en utilisant le langage de modélisation Modelica.Pour démontrer les possibilités de cette approche, une étude des réponses vibratoires de certains systèmes mécatroniques a été réalisée. Cette approche de pré-dimensionnement a ainsi été appliquée dans un premier temps à un système mécatronique simple formé d’une plaque rectangulaire supportant des composants tels que des moteurs et des cartes électroniques, puis dans un second temps à une éolienne représentant un système mécatronique complet.Les résultats obtenus lors des simulations ont été comparés avec ceux obtenus par la méthode des éléments finis ainsi qu’avec les résultats d’études présentes dans la littérature scientifique. Ces simulations nous ont permis de prouver que les modèles compacts développés fournissent à l’architecte du système mécatronique des résultats très précis avec un besoin en ressources informatiques faibles. / This thesis focuses on the development of a method for the preliminary design of mechatronic systems, taking into account the vibratory aspect, without going through costly design techniques, such as 3D CAD and finite element method.In an early stage of the design process of mechatronic systems, simple analytical models are necessary to the architect engineer in Mechatronics, for important conceptual decisions related to multi-physics coupling and vibration. For this purpose, a library of flexible elements, based on analytical models, was developed in this thesis, using the Modelica modeling language.To demonstrate the possibilities of this approach, we conducted a study of the vibration response of some mechatronic systems. Therefore, the pre-sizing approach was applied in a first phase to a simple mechatronic system, formed with a rectangular plate supporting electrical components such as electric motors and electronic cards, and in a second phase the approach was applied to a wind turbine, considered as a complete mechatronic system. Simulation results were compared with the finite elements method and other studies found in the scientific literature. Simulation results have enabled us to prove that the developed compact models assist the mechatronic architect to find results of simulation with an important accuracy and a low computational cost.

Power systems simulation tools enable to study and evaluate the performance of electrical power systems in different scenarios. This allows the development and implementation of new solutions to the challenges electrical grids face nowadays. In this sense, electromagnetic transient (EMT) simulation provides detailed information on the behaviour of the different components involved in the system. Moreover, among the wide range of existing tools, those based in Modelica language present certain advantages for power system simulation, such as equation- based modeling and the possibility of working in open- source environments. This project presents the development of components and reference grid in EMT formalism in the open- source environment OpenModelica, based on Modelica language. With the purpose of power system simulation, electrical components have been modeled in OpenModelica and gathered in a library for EMT simulation The performance of the different components has been validated by comparing the results of the EMT simulation of a 3buses reference grid in different case studies in OpenModelica and other EMT- based software. Furthermore, the comparison has been also established with phasor simulation in OpenModelica, enabling the evaluation of the differences between phasor and EMT simulation. The results show the main advantages and drawbacks of working with OpenModelica regarding other simulation tools and the lack of information provided by the phasor simulation, particularly in the case of a fault event. Additionally, certain difficulties encountered when working with OpenModelica have also been identified. / Simulering av kraftsystem gör det möjligt att studera och utvärdera prestandan i olika scenarion. Genom detta kan utveckling och implementering av nya lösningar på de utmaningar som elnäten står inför framöver ske. Elektromagnetisk transient (EMT)simulering ger detaljerad information om beteendet hos de olika komponenterna i systemet. Bland de många befintliga verktygen innehåller de som är baserade på Modelica- språket dessutom vissa fördelar för kraftsystemsimulering, såsom ekvationsbaserad modellering och möjligheten att arbeta i miljöer med öppen källkod. Den här uppsatsen presenterar en utveckling av komponenter och testelnät i EMT- formalism i öppen källkodsmiljö OpenModelica, baserat på programmeringsspråket Modelica. Elektriska komponenter har modellerats i OpenModelica och samlats i ett bibliotek för EMT- simulering. Målet är en detaljerad simulering av elkraftsystem. Komponenternas prestanda har validerats genom att jämföra resultatet av EMT- simuleringen av ett 3bussreferensnät i olika fallstudier i OpenModelica och annan EMT- baserad programvara. Sedan har jämförelsen även utförts med simuleringar i fasorformalism i OpenModelica. Den här jämförelsen har också möjliggjort utvärderingen av skillnaderna mellan fasor och EMT- simulering. Resultaten visar de största fördelarna och nackdelarna med att arbeta med OpenModelica njämfört med andra simuleringsverktyg. De visar också bristen på information om fasorsimuleringen, särskilt i fallet med ett elektriskt fel. Dessutom har vissa svårigheter identifierats med att arbeta med OpenModelica.

In der vorliegenden Arbeit werden mithilfe von Methoden zur numerischen Behandlung schwach besetzter Matrizen O(n³)- und O(n)-Berechnungsalgorithmen für Mehrkörpersysteme aus deren Bewegungsgleichungen abgeleitet. Durch Verwendung von Dualen Basen kann gezeigt werden, dass sich die bezüglich der Berechnungszeit effizienten Algorithmen sowohl auf Systeme mit explizit als auch implizit formulierten Bindungsgleichungen anwenden lassen. Mit diesen gewonnen Erkenntnissen wird die derzeitige Implementierung der vorgestellten Algorithmen im Sprachstandard Modelica untersucht. Es werden Ansatzmöglichkeiten aufgezeigt, mit denen ausgewählte Modelica Compiler große Mehrkörpersysteme effizienter lösen können. Zum einen wird durch eine graphentheoretische Verallgemeinerung des O(n)-Algorithmus dieser direkt in dem freien Modelica Werkzeug OpenModelica umgesetzt. Zum anderen wird die Methode der Subsysteme für den O(n)-Algorithmus vorgestellt. Sie ermöglicht es, beliebig komplexe Teilsysteme als eigenständige Modellelemente zu erstellen. Die Berechnung von kinematischen Schleifen kann auf diese Weise wesentlich beschleunigt werden. Ferner wird gezeigt, dass sich mit der Methode der Subsysteme Modellgleichungen eines idealen homokinetischen Gelenks ableiten lassen, die frei von Zwangsbedingungen sind. Dies führt ebenfalls zu einer schnelleren und robusteren Berechnung. / Using methods from sparse matrice theory, O(n³)- and O(n)-algorithms for multibody systems are derived from the equations of motion. The concept of Dual Bases reveals that efficient algorithms for explicit joint descriptions, regarding calculation time, may also be applied to systems which use implicit joint constraints. Consequently, the feasibility of implementing these results in Modelica is examined. This leads to new approaches which enable selected Modelica compilers to solve large multibody systems more efficiently. On the one hand side a graph-theoretic generalization of the O(n)-algorithm has been implemented into the OpenModelica compiler. On the other hand, a method of subsystems for the O(n)-algorithm has been devised. It allows to derive the model equations for arbitrary complex sub-systems which can be implemented as new model elements for an O(n)-algorithm library. This has been carried out for recurring kinematic loops of Mobile Machinery improving simulation speed considerably. Furthermore, it is shown that a fast and robust model of an ideal constant velocity joint can be derived that way.

Pour mieux maîtriser ses flux énergétiques et respecter les diverses restrictions mises en place dans ce secteur énergivore, le bâtiment devient un système de plus en plus complexe incluant divers technologies innovantes comme les systèmes de gestion énergétiques (SGEB), une isolation performante et intégrant les énergies renouvelables. Cette complexité exige un changement dans les techniques et paradigmes actuels de simulation du bâtiment pour la prise en compte de ses diverses évolutions. Une modélisation globale des différents composants de ce système et une simulation efficace de ses sous-systèmes hétérogènes doivent être dorénavant assurées.Ces objectifs ne pourront être atteints qu'à travers l’exploitation des approches méthodologiques d’interopérabilité. Plusieurs solutions d’interopérabilités ont été exploitées dans le secteur du bâtiment. L’état de l’art dans ce secteur, met l’accent sur le manque de standardisation des solutions appliquées. Une approche boîte blanche se basant sur le langage Modelica a remarquablement émergée. Pour monter ses intérêts ainsi que ses limites, cette solution est adoptée pour la modélisation du système de bâtiment «PREDIS», à haute performance énergétique. Une approche boîte noire complémentaire, s’appuyant sur le standard de composant logiciel dédié à la simulation, est également mise en ouvre pour palier aux difficultés rencontrées en utilisant la première approche de modélisation système. Cette approche s’articule autour du concept de bus à composants permettant une interopérabilité effective entre outils de modélisation et environnements de simulation. En plus de l’architecture logicielle autour de la plateforme d’interopérabilité, une simulation efficace du système hétérogène requière des techniques de simulations adaptées. Ces dernières peuvent exiger des adaptations des modèles utilisés qui sont prévues par la norme de composant. / To better reduce its invoices, control its energy flows and respect various restrictions in this sector characterised by important consumption, the building becomes more and more complex including various innovative technologies such as Energy Management Systems (BEMS), efficient insulation and integrating renewable energies. This complexity requires a changing in building simulation techniques and paradigms in order to take into account its various developments. A global modelling of this system taking into account its various components and ensuring an efficient simulation of its heterogeneous subsystems must be performed.These objectives can only be achieved through the use of interoperability methodological approaches. Several interoperability solutions have been explored in the building sector and the state of the art make an accent on the standardization lack of applied solutions. A white box approach based on Modelica language has emerged in this area. To raise its interest and limitations, this solution is adopted for “PREDIS” system, a high energy performance building, modelling. A complementary black box approach, based on software component standard and dedicated for simulation is also applied to overcome the first approach difficulties. This approach is based on software component bus concept that is able to ensure an effective interoperability between modelling tools and simulation environments.In addition of the established software architecture around the platform interoperability, an efficient simulation of heterogeneous systems requires appropriate simulations techniques. These techniques may require several adaptations of used models that are provided by the component standard.