source: palm/trunk/SOURCE/indoor_model_mod.f90 @ 4704

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bugfix in indoor model regarding zero window fractions

  • Property svn:keywords set to Id
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Line 
1!> @file indoor_model_mod.f90
2!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
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7! (at your option) any later version.
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11! Public License for more details.
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14! <http://www.gnu.org/licenses/>.
15!
16! Copyright 2018-2020 Leibniz Universitaet Hannover
17! Copyright 2018-2020 Hochschule Offenburg
18!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
19!
20! Current revisions:
21! -----------------
22!
23!
24! Former revisions:
25! -----------------
26! $Id: indoor_model_mod.f90 4704 2020-09-28 10:13:03Z maronga $
27! Bugfix: avoid division by zero in case of zero window fraction
28!
29! 4702 2020-09-27 18:39:00Z maronga
30! Removed unused variable indoor_wall_window_temperature
31!
32! 4701 2020-09-27 11:02:15Z maronga
33! Heat transfer for wall and windows back to USM separated into q_wall and q_win (instead q_wall_win).
34! Heat flow direction revised (heat flow positive from outside to inside).
35! New variable indoor_wall_temperature (for q_wall).
36! Removed unused quantity q_trans.
37!
38! 4698 2020-09-25 08:37:55Z maronga
39! Fixed faulty characters
40!
41! 4687 2020-09-21 19:40:16Z maronga
42! Bugfix: values of theta_m_t_prev were not stored for individual surfaces and thus re-used by all
43! surfaces and buildings, which led to excessive indoor temperatures
44!
45! 4681 2020-09-16 10:23:06Z pavelkrc
46! Bugfix for implementation of downward surfaces
47!
48! 4671 2020-09-09 20:27:58Z pavelkrc
49! Implementation of downward facing USM and LSM surfaces
50!
51! 4646 2020-08-24 16:02:40Z raasch
52! file re-formatted to follow the PALM coding standard
53!
54! 4481 2020-03-31 18:55:54Z maronga
55! Change order of dimension in surface array %frac to allow for better vectorization.
56!
57! 4441 2020-03-04 19:20:35Z suehring
58! Major bugfix in calculation of energy demand - floor-area-per-facade was wrongly calculated
59! leading to unrealistically high energy demands and thus to unreallistically high waste-heat
60! fluxes.
61!
62! 4346 2019-12-18 11:55:56Z motisi
63! Introduction of wall_flags_total_0, which currently sets bits based on static topography
64! information used in wall_flags_static_0
65!
66! 4329 2019-12-10 15:46:36Z motisi
67! Renamed wall_flags_0 to wall_flags_static_0
68!
69! 4310 2019-11-26 19:01:28Z suehring
70! Remove dt_indoor from namelist input. The indoor model is an hourly-based model, calling it
71! more/less often lead to inaccurate results.
72!
73! 4299 2019-11-22 10:13:38Z suehring
74! Output of indoor temperature revised (to avoid non-defined values within buildings)
75!
76! 4267 2019-10-16 18:58:49Z suehring
77! Bugfix in initialization, some indices to access building_pars where wrong.
78! Introduction of seasonal parameters.
79!
80! 4246 2019-09-30 09:27:52Z pavelkrc
81!
82!
83! 4242 2019-09-27 12:59:10Z suehring
84! Bugfix in array index
85!
86! 4238 2019-09-25 16:06:01Z suehring
87! - Bugfix in determination of minimum facade height and in location message
88! - Bugfix, avoid division by zero
89! - Some optimization
90!
91! 4227 2019-09-10 18:04:34Z gronemeier
92! implement new palm_date_time_mod
93!
94! 4217 2019-09-04 09:47:05Z scharf
95! Corrected "Former revisions" section
96!
97! 4209 2019-09-02 12:00:03Z suehring
98! - Bugfix in initialization of indoor temperature
99! - Prescibe default indoor temperature in case it is not given in the namelist input
100!
101! 4182 2019-08-21 14:37:54Z scharf
102! Corrected "Former revisions" section
103!
104! 4148 2019-08-08 11:26:00Z suehring
105! Bugfix in case of non grid-resolved buildings. Further, vertical grid spacing is now considered at
106! the correct level.
107! - change calculation of a_m and c_m
108! - change calculation of u-values (use h_es in building array)
109! - rename h_tr_... to  h_t_...
110!          h_tr_em  to  h_t_wm
111!          h_tr_op  to  h_t_wall
112!          h_tr_w   to  h_t_es
113! - rename h_ve     to  h_v
114! - rename h_is     to  h_ms
115! - inserted net_floor_area
116! - inserted params_waste_heat_h, params_waste_heat_c from building database
117!   in building array
118! - change calculation of q_waste_heat
119! - bugfix in averaging mean indoor temperature
120!
121! 3759 2019-02-21 15:53:45Z suehring
122! - Calculation of total building volume
123! - Several bugfixes
124! - Calculation of building height revised
125!
126! 3745 2019-02-15 18:57:56Z suehring
127! - remove building_type from module
128! - initialize parameters for each building individually instead of a bulk initializaion with
129!   identical building type for all
130! - output revised
131! - add missing _wp
132! - some restructuring of variables in building data structure
133!
134! 3744 2019-02-15 18:38:58Z suehring
135! Some interface calls moved to module_interface + cleanup
136!
137! 3469 2018-10-30 20:05:07Z kanani
138! Initial revision (tlang, suehring, kanani, srissman)!
139!
140! Authors:
141! --------
142! @author Tobias Lang
143! @author Jens Pfafferott
144! @author Farah Kanani-Suehring
145! @author Matthias Suehring
146! @author Sascha Rissmann
147! @author Bjoern Maronga
148!
149!
150! Description:
151! ------------
152!> Module for Indoor Climate Model (ICM)
153!> The module is based on the DIN EN ISO 13790 with simplified hour-based procedure.
154!> This model is a equivalent circuit diagram of a three-point RC-model (5R1C).
155!> This module differs between indoor-air temperature an average temperature of indoor surfaces which make it prossible to determine
156!> thermal comfort
157!> the heat transfer between indoor and outdoor is simplified
158
159!> @todo Many statement comments that are given as doxygen comments need to be changed to normal comments
160!> @todo Replace window_area_per_facade by %frac(1,m) for window
161!> @todo emissivity change for window blinds if solar_protection_on=1
162
163!> @note Do we allow use of integer flags, or only logical flags? (concerns e.g. cooling_on, heating_on)
164!> @note How to write indoor temperature output to pt array?
165!>
166!> @bug  Calculation of iwghf_eb and iwghf_eb_window is faulty
167!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
168 MODULE indoor_model_mod
169
170    USE arrays_3d,                                                                                 &
171        ONLY:  ddzw,                                                                               &
172               dzw,                                                                                &
173               pt
174
175    USE control_parameters,                                                                        &
176        ONLY:  initializing_actions
177
178    USE kinds
179
180    USE netcdf_data_input_mod,                                                                     &
181        ONLY:  building_id_f, building_type_f
182
183    USE palm_date_time_mod,                                                                        &
184        ONLY:  get_date_time, northward_equinox, seconds_per_hour, southward_equinox
185
186    USE surface_mod,                                                                               &
187        ONLY:  surf_usm_h, surf_usm_v
188
189
190    IMPLICIT NONE
191
192!
193!-- Define data structure for buidlings.
194    TYPE build
195
196       INTEGER(iwp) ::  id                                !< building ID
197       INTEGER(iwp) ::  kb_max                            !< highest vertical index of a building
198       INTEGER(iwp) ::  kb_min                            !< lowest vertical index of a building
199       INTEGER(iwp) ::  num_facades_per_building_h = 0    !< total number of horizontal facades elements
200       INTEGER(iwp) ::  num_facades_per_building_h_l = 0  !< number of horizontal facade elements on local subdomain
201       INTEGER(iwp) ::  num_facades_per_building_v = 0    !< total number of vertical facades elements
202       INTEGER(iwp) ::  num_facades_per_building_v_l = 0  !< number of vertical facade elements on local subdomain
203       INTEGER(iwp) ::  ventilation_int_loads             !< [-] allocation of activity in the building
204
205       INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  l_h            !< index array linking surface-element orientation index
206                                                                  !< for horizontal surfaces with building
207       INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  l_v            !< index array linking surface-element orientation index
208                                                                  !< for vertical surfaces with building
209       INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  m_h            !< index array linking surface-element index for
210                                                                  !< horizontal surfaces with building
211       INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  m_v            !< index array linking surface-element index for
212                                                                  !< vertical surfaces with building
213       INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  num_facade_h   !< number of horizontal facade elements per buidling
214                                                                  !< and height level
215       INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  num_facade_v   !< number of vertical facades elements per buidling
216                                                                  !< and height level
217
218
219       LOGICAL ::  on_pe = .FALSE.   !< flag indicating whether a building with certain ID is on local subdomain
220
221       REAL(wp) ::  air_change_high       !< [1/h] air changes per time_utc_hour
222       REAL(wp) ::  air_change_low        !< [1/h] air changes per time_utc_hour
223       REAL(wp) ::  area_facade           !< [m2] area of total facade
224       REAL(wp) ::  building_height       !< building height
225       REAL(wp) ::  eta_ve                !< [-] heat recovery efficiency
226       REAL(wp) ::  factor_a              !< [-] Dynamic parameters specific effective surface according to Table 12; 2.5
227                                          !< (very light, light and medium), 3.0 (heavy), 3.5 (very heavy)
228       REAL(wp) ::  factor_c              !< [J/(m2 K)] Dynamic parameters inner heatstorage according to Table 12; 80000
229                                          !< (very light), 110000 (light), 165000 (medium), 260000 (heavy), 370000 (very heavy)
230       REAL(wp) ::  f_c_win               !< [-] shading factor
231       REAL(wp) ::  fapf                  !< [m2/m2] floor area per facade
232       REAL(wp) ::  g_value_win           !< [-] SHGC factor
233       REAL(wp) ::  h_es                  !< [W/(m2 K)] surface-related heat transfer coefficient between extern and surface
234       REAL(wp) ::  height_cei_con        !< [m] ceiling construction heigth
235       REAL(wp) ::  height_storey         !< [m] storey heigth
236       REAL(wp) ::  params_waste_heat_c   !< [-] anthropogenic heat outputs for cooling e.g. 1.33 for KKM with COP = 3
237       REAL(wp) ::  params_waste_heat_h   !< [-] anthropogenic heat outputs for heating e.g. 1 - 0.9 = 0.1 for combustion with
238                                          !< eta = 0.9 or -2 for WP with COP = 3
239       REAL(wp) ::  phi_c_max             !< [W] Max. Cooling capacity (negative)
240       REAL(wp) ::  phi_h_max             !< [W] Max. Heating capacity (positive)
241       REAL(wp) ::  q_c_max               !< [W/m2] Max. Cooling heat flux per netto floor area (negative)
242       REAL(wp) ::  q_h_max               !< [W/m2] Max. Heating heat flux per netto floor area (positive)
243       REAL(wp) ::  qint_high             !< [W/m2] internal heat gains, option Database qint_0-23
244       REAL(wp) ::  qint_low              !< [W/m2] internal heat gains, option Database qint_0-23
245       REAL(wp) ::  lambda_at             !< [-] ratio internal surface/floor area chap. 7.2.2.2.
246       REAL(wp) ::  lambda_layer3         !< [W/(m*K)] Thermal conductivity of the inner layer
247       REAL(wp) ::  net_floor_area        !< [m2] netto ground area
248       REAL(wp) ::  s_layer3              !< [m] half thickness of the inner layer (layer_3)
249       REAL(wp) ::  theta_int_c_set       !< [degree_C] Max. Setpoint temperature (summer)
250       REAL(wp) ::  theta_int_h_set       !< [degree_C] Max. Setpoint temperature (winter)
251       REAL(wp) ::  u_value_win           !< [W/(m2*K)] transmittance
252       REAL(wp) ::  vol_tot               !< [m3] total building volume
253
254       REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  t_in       !< mean building indoor temperature, height dependent
255       REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  t_in_l     !< mean building indoor temperature on local subdomain, height dependent
256       REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  theta_m_t_prev_h !< [degree_C] value of theta_m_t from previous time step (horizontal)
257       REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  theta_m_t_prev_v !< [degree_C] value of theta_m_t from previous time step (vertical)
258       REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  volume     !< total building volume, height dependent
259       REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  vol_frac   !< fraction of local on total building volume, height dependent
260       REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  vpf        !< building volume volume per facade element, height dependent
261
262    END TYPE build
263
264    TYPE(build), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  buildings   !< building array
265
266    INTEGER(iwp) ::  num_build   !< total number of buildings in domain
267!
268!-- Declare all global variables within the module
269
270    REAL(wp), PARAMETER ::  dt_indoor = 3600.0_wp                  !< [s] time interval for indoor-model application, fixed to
271                                                                   !< 3600.0 due to model requirements
272    REAL(wp), PARAMETER ::  h_is                     = 3.45_wp     !< [W/(m2 K)] surface-related heat transfer coefficient between
273                                                                   !< surface and air (chap. 7.2.2.2)
274    REAL(wp), PARAMETER ::  h_ms                     = 9.1_wp      !< [W/(m2 K)] surface-related heat transfer coefficient between
275                                                                   !< component and surface (chap. 12.2.2)
276    REAL(wp), PARAMETER ::  params_f_f               = 0.3_wp      !< [-] frame ratio chap. 8.3.2.1.1 for buildings with mostly
277                                                                   !< cooling 2.0_wp
278    REAL(wp), PARAMETER ::  params_f_w               = 0.9_wp      !< [-] correction factor (fuer nicht senkrechten Stahlungseinfall
279                                                                   !< DIN 4108-2 chap.8, (hier konstant, keine WinkelabhÀngigkeit)
280    REAL(wp), PARAMETER ::  params_f_win             = 0.5_wp      !< [-] proportion of window area, Database A_win aus
281                                                                   !< Datenbank 27 window_area_per_facade_percent
282    REAL(wp), PARAMETER ::  params_solar_protection  = 300.0_wp    !< [W/m2] chap. G.5.3.1 sun protection closed, if the radiation
283                                                                   !< on facade exceeds this value
284
285    INTEGER(iwp) ::  cooling_on              !< Indoor cooling flag (0=off, 1=on)
286    INTEGER(iwp) ::  heating_on              !< Indoor heating flag (0=off, 1=on)
287    INTEGER(iwp) ::  solar_protection_off    !< Solar protection off
288    INTEGER(iwp) ::  solar_protection_on     !< Solar protection on
289
290
291    REAL(wp) ::  a_m                                 !< [m2] the effective mass-related area
292    REAL(wp) ::  air_change                          !< [1/h] Airflow
293    REAL(wp) ::  c_m                                 !< [J/K] internal heat storage capacity
294    REAL(wp) ::  facade_element_area                 !< [m2_facade] building surface facade
295    REAL(wp) ::  floor_area_per_facade               !< [m2/m2] floor area per facade area
296    REAL(wp) ::  h_t_1                               !< [W/K] Heat transfer coefficient auxiliary variable 1
297    REAL(wp) ::  h_t_2                               !< [W/K] Heat transfer coefficient auxiliary variable 2
298    REAL(wp) ::  h_t_3                               !< [W/K] Heat transfer coefficient auxiliary variable 3
299    REAL(wp) ::  h_t_es                              !< [W/K] heat transfer coefficient of doors, windows, curtain walls and
300                                                     !< glazed walls (assumption: thermal mass=0)
301    REAL(wp) ::  h_t_is                              !< [W/K] thermal coupling conductance (Thermischer Kopplungsleitwert)
302    REAL(wp) ::  h_t_ms                              !< [W/K] Heat transfer conductance term (got with h_t_wm the thermal mass)
303    REAL(wp) ::  h_t_wall                            !< [W/K] heat transfer coefficient of opaque components (assumption: got all
304                                                     !< thermal mass) contains of h_t_wm and h_t_ms
305    REAL(wp) ::  h_t_wm                              !< [W/K] Heat transfer coefficient of the emmision (got with h_t_ms the
306                                                     !< thermal mass)
307    REAL(wp) ::  h_v                                 !< [W/K] heat transfer of ventilation
308    REAL(wp) ::  indoor_volume_per_facade            !< [m3] indoor air volume per facade element
309    REAL(wp) ::  initial_indoor_temperature = 293.15 !< [K] initial indoor temperature (namelist parameter)
310    REAL(wp) ::  net_sw_in                           !< [W/m2] net short-wave radiation
311    REAL(wp) ::  phi_hc_nd                           !< [W] heating demand and/or cooling demand
312    REAL(wp) ::  phi_hc_nd_10                        !< [W] heating demand and/or cooling demand for heating or cooling
313    REAL(wp) ::  phi_hc_nd_ac                        !< [W] actual heating demand and/or cooling demand
314    REAL(wp) ::  phi_hc_nd_un                        !< [W] unlimited heating demand and/or cooling demand which is necessary to
315                                                     !< reach the demanded required temperature (heating is positive,
316                                                     !< cooling is negative)
317    REAL(wp) ::  phi_ia                              !< [W] internal air load = internal loads * 0.5, Eq. (C.1)
318    REAL(wp) ::  phi_m                               !< [W] mass specific thermal load (internal and external)
319    REAL(wp) ::  phi_mtot                            !< [W] total mass specific thermal load (internal and external)
320    REAL(wp) ::  phi_sol                             !< [W] solar loads
321    REAL(wp) ::  phi_st                              !< [W] mass specific thermal load implied non thermal mass
322    REAL(wp) ::  q_wall                              !< [W/m2]heat flux from indoor into wall
323    REAL(wp) ::  q_win                               !< [W/m2]heat flux from indoor into window
324    REAL(wp) ::  q_waste_heat                        !< [W/m2]waste heat, sum of waste heat over the roof to Palm
325
326    REAL(wp) ::  q_c_m                               !< [W] Energy of thermal storage mass specific thermal load for internal
327                                                     !< and external heatsources (for energy bilanz)
328    REAL(wp) ::  q_c_st                              !< [W] Energy of thermal storage mass specific thermal load implied non
329                                                     !< thermal mass (for energy bilanz)
330    REAL(wp) ::  q_int                               !< [W] Energy of internal air load (for energy bilanz)
331    REAL(wp) ::  q_sol                               !< [W] Energy of solar (for energy bilanz)
332    REAL(wp) ::  q_vent                              !< [W] Energy of ventilation (for energy bilanz)
333
334    REAL(wp) ::  schedule_d                          !< [-] activation for internal loads (low or high + low)
335    REAL(wp) ::  skip_time_do_indoor = 0.0_wp        !< [s] Indoor model is not called before this time
336    REAL(wp) ::  theta_air                           !< [degree_C] air temperature of the RC-node
337    REAL(wp) ::  theta_air_0                         !< [degree_C] air temperature of the RC-node in equilibrium
338    REAL(wp) ::  theta_air_10                        !< [degree_C] air temperature of the RC-node from a heating capacity
339                                                     !< of 10 W/m2
340    REAL(wp) ::  theta_air_ac                        !< [degree_C] actual room temperature after heating/cooling
341    REAL(wp) ::  theta_air_set                       !< [degree_C] Setpoint_temperature for the room
342    REAL(wp) ::  theta_m                             !< [degree_C} inner temperature of the RC-node
343    REAL(wp) ::  theta_m_t                           !< [degree_C] (Fictive) component temperature during timestep
344    REAL(wp) ::  theta_op                            !< [degree_C] operative temperature
345    REAL(wp) ::  theta_s                             !< [degree_C] surface temperature of the RC-node
346    REAL(wp) ::  time_indoor = 0.0_wp                !< [s] time since last call of indoor model
347    REAL(wp) ::  total_area                          !< [m2] area of all surfaces pointing to zone
348    REAL(wp) ::  window_area_per_facade              !< [m2] window area per facade element
349
350!
351!-- Definition of seasonal parameters, summer and winter, for different building types
352    REAL(wp), DIMENSION(0:1,1:7) ::  summer_pars = RESHAPE( (/                & ! building_type 1
353                                          0.5_wp,                             & ! basical airflow without occupancy of the room
354                                          2.0_wp,                             & ! additional airflow depend of occupancy of the room
355                                          0.5_wp,                             & ! building_type 2: basical airflow without occupancy
356                                                                                ! of the room
357                                          2.0_wp,                             & ! additional airflow depend of occupancy of the room
358                                          0.8_wp,                             & ! building_type 3: basical airflow without occupancy
359                                                                                ! of the room
360                                          2.0_wp,                             & ! additional airflow depend of occupancy of the room
361                                          0.1_wp,                             & ! building_type 4: basical airflow without occupancy
362                                                                                ! of the room
363                                          1.5_wp,                             & ! additional airflow depend of occupancy of the room
364                                          0.1_wp,                             & ! building_type 5: basical airflow without occupancy
365                                                                                ! of the room
366                                          1.5_wp,                             & ! additional airflow depend of occupancy of the room
367                                          0.1_wp,                             & ! building_type 6: basical airflow without occupancy
368                                                                                ! of the room
369                                          1.5_wp,                             & ! additional airflow depend of occupancy of the room
370                                          0.1_wp,                             & ! building_type 7: basical airflow without occupancy
371                                                                                ! of the room
372                                          1.5_wp                              & ! additional airflow depend of occupancy of the room
373                                                           /), (/ 2, 7 /) )
374
375    REAL(wp), DIMENSION(0:1,1:7) ::  winter_pars = RESHAPE( (/                & ! building_type 1
376                                          0.1_wp,                             & ! basical airflow without occupancy of the room
377                                          0.5_wp,                             & ! additional airflow depend of occupancy of the room
378                                          0.1_wp,                             & ! building_type 2: basical airflow without occupancy
379                                                                                ! of the room
380                                          0.5_wp,                             & ! additional airflow depend of occupancy of the room
381                                          0.1_wp,                             & ! building_type 3: basical airflow without occupancy
382                                                                                ! of the room
383                                          0.5_wp,                             & ! additional airflow depend of occupancy of the room
384                                          0.1_wp,                             & ! building_type 4: basical airflow without occupancy
385                                                                                ! of the room
386                                          1.5_wp,                             & ! additional airflow depend of occupancy of the room
387                                          0.1_wp,                             & ! building_type 5: basical airflow without occupancy
388                                                                                ! of the room
389                                          1.5_wp,                             & ! additional airflow depend of occupancy of the room
390                                          0.1_wp,                             & ! building_type 6: basical airflow without occupancy
391                                                                                ! of the room
392                                          1.5_wp,                             & ! additional airflow depend of occupancy of the room
393                                          0.1_wp,                             & ! building_type 7: basical airflow without occupancy
394                                                                                ! of the room
395                                          1.5_wp                              & ! additional airflow depend of occupancy of the room
396                                                           /), (/ 2, 7 /) )
397
398    SAVE
399
400
401    PRIVATE
402
403!
404!-- Add INTERFACES that must be available to other modules
405    PUBLIC im_init, im_main_heatcool, im_parin, im_define_netcdf_grid, im_check_data_output,       &
406           im_data_output_3d, im_check_parameters
407
408
409!
410!-- Add VARIABLES that must be available to other modules
411    PUBLIC dt_indoor, skip_time_do_indoor, time_indoor
412
413!
414!-- PALM interfaces:
415!-- Data output checks for 2D/3D data to be done in check_parameters
416     INTERFACE im_check_data_output
417        MODULE PROCEDURE im_check_data_output
418     END INTERFACE im_check_data_output
419!
420!-- Input parameter checks to be done in check_parameters
421     INTERFACE im_check_parameters
422        MODULE PROCEDURE im_check_parameters
423     END INTERFACE im_check_parameters
424!
425!-- Data output of 3D data
426     INTERFACE im_data_output_3d
427        MODULE PROCEDURE im_data_output_3d
428     END INTERFACE im_data_output_3d
429
430!
431!-- Definition of data output quantities
432     INTERFACE im_define_netcdf_grid
433        MODULE PROCEDURE im_define_netcdf_grid
434     END INTERFACE im_define_netcdf_grid
435!
436! !
437! !-- Output of information to the header file
438!     INTERFACE im_header
439!        MODULE PROCEDURE im_header
440!     END INTERFACE im_header
441!
442!-- Calculations for indoor temperatures
443    INTERFACE im_calc_temperatures
444       MODULE PROCEDURE im_calc_temperatures
445    END INTERFACE im_calc_temperatures
446!
447!-- Initialization actions
448    INTERFACE im_init
449       MODULE PROCEDURE im_init
450    END INTERFACE im_init
451!
452!-- Main part of indoor model
453    INTERFACE im_main_heatcool
454       MODULE PROCEDURE im_main_heatcool
455    END INTERFACE im_main_heatcool
456!
457!-- Reading of NAMELIST parameters
458    INTERFACE im_parin
459       MODULE PROCEDURE im_parin
460    END INTERFACE im_parin
461
462 CONTAINS
463
464!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
465! Description:
466! ------------
467!< Calculation of the air temperatures and mean radiation temperature.
468!< This is basis for the operative temperature.
469!< Based on a Crank-Nicholson scheme with a timestep of a hour.
470!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
471 SUBROUTINE im_calc_temperatures ( i, j, k, indoor_wall_temperature,  &
472                                   near_facade_temperature, phi_hc_nd_dummy, theta_m_t_prev )
473
474    INTEGER(iwp) ::  i
475    INTEGER(iwp) ::  j
476    INTEGER(iwp) ::  k
477
478    REAL(wp) ::  indoor_wall_temperature   !< temperature of innermost wall layer evtl in im_calc_temperatures einfÃŒgen
479    REAL(wp) ::  near_facade_temperature
480    REAL(wp) ::  phi_hc_nd_dummy
481    REAL(wp), INTENT(IN) :: theta_m_t_prev
482!
483!-- Calculation of total mass specific thermal load (internal and external)
484    phi_mtot = ( phi_m + h_t_wm * indoor_wall_temperature                                   &
485                       + h_t_3  * ( phi_st + h_t_es * pt(k,j,i)                                    &
486                                            + h_t_1 *                                              &
487                                    ( ( ( phi_ia + phi_hc_nd_dummy ) / h_v )                       &
488                                                 + near_facade_temperature )                       &
489                                  ) / h_t_2                                                        &
490               )                                                                !< [degree_C] Eq. (C.5)
491!
492!-- Calculation of component temperature at current timestep
493    theta_m_t = ( ( theta_m_t_prev                                                                 &
494                    * ( ( c_m / 3600.0_wp ) - 0.5_wp * ( h_t_3 + h_t_wm ) )                        &
495                     + phi_mtot                                                                    &
496                  )                                                                                &
497                  /   ( ( c_m / 3600.0_wp ) + 0.5_wp * ( h_t_3 + h_t_wm ) )                        &
498                )                                                               !< [degree_C] Eq. (C.4)
499!
500!-- Calculation of mean inner temperature for the RC-node in current timestep
501    theta_m = ( theta_m_t + theta_m_t_prev ) * 0.5_wp                           !< [degree_C] Eq. (C.9)
502
503!
504!-- Calculation of mean surface temperature of the RC-node in current timestep
505    theta_s = ( (   h_t_ms * theta_m + phi_st + h_t_es * pt(k,j,i)                                 &
506                  + h_t_1  * ( near_facade_temperature                                             &
507                           + ( phi_ia + phi_hc_nd_dummy ) / h_v )                                  &
508                )                                                                                  &
509                / ( h_t_ms + h_t_es + h_t_1 )                                                      &
510              )                                                                 !< [degree_C] Eq. (C.10)
511
512!
513!-- Calculation of the air temperature of the RC-node
514
515
516    theta_air = ( h_t_is * theta_s + h_v * near_facade_temperature + phi_ia + phi_hc_nd_dummy ) /  &
517                ( h_t_is + h_v )                                                !< [degree_C] Eq. (C.11)
518
519
520 END SUBROUTINE im_calc_temperatures
521
522
523!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
524! Description:
525! ------------
526!> Initialization of the indoor model.
527!> Static information are calculated here, e.g. building parameters and geometrical information,
528!> anything that doesn't change in time.
529!
530!-- Input values
531!-- Input datas from Palm, M4
532!     i_global             -->  net_sw_in                         !< global radiation [W/m2]
533!     theta_e              -->  pt(k,j,i)                         !< undisturbed outside temperature, 1. PALM volume, for windows
534!     theta_sup = theta_f  -->  surf_usm_h%pt_10cm(m)
535!                               surf_usm_v(l)%pt_10cm(m)          !< Air temperature, facade near (10cm) air temperature from
536                                                                  !< 1. Palm volume
537!     theta_node           -->  t_wall_h(nzt_wall,m)
538!                               t_wall_v(l)%t(nzt_wall,m)         !< Temperature of innermost wall layer, for opaque wall
539!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
540 SUBROUTINE im_init
541
542    USE control_parameters,                                                                        &
543        ONLY:  message_string, time_since_reference_point
544
545    USE indices,                                                                                   &
546        ONLY:  nxl, nxr, nyn, nys, nzb, nzt, wall_flags_total_0
547
548    USE grid_variables,                                                                            &
549        ONLY:  dx, dy
550
551    USE pegrid
552
553    USE surface_mod,                                                                               &
554        ONLY:  surf_usm_h, surf_usm_v
555
556    USE urban_surface_mod,                                                                         &
557        ONLY:  building_pars, building_type
558
559    INTEGER(iwp) ::  bt          !< local building type
560    INTEGER(iwp) ::  day_of_year !< day of the year
561    INTEGER(iwp) ::  i           !< running index along x-direction
562    INTEGER(iwp) ::  j           !< running index along y-direction
563    INTEGER(iwp) ::  k           !< running index along z-direction
564    INTEGER(iwp) ::  l           !< running index for surface-element orientation
565    INTEGER(iwp) ::  m           !< running index surface elements
566    INTEGER(iwp) ::  n           !< building index
567    INTEGER(iwp) ::  nb          !< building index
568
569    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  build_ids           !< building IDs on entire model domain
570    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  build_ids_final     !< building IDs on entire model domain,
571                                                                    !< multiple occurences are sorted out
572    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  build_ids_final_tmp !< temporary array used for resizing
573    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  build_ids_l         !< building IDs on local subdomain
574    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  build_ids_l_tmp     !< temporary array used to resize array of building IDs
575    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  displace_dum        !< displacements of start addresses, used for MPI_ALLGATHERV
576    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  k_max_l             !< highest vertical index of a building on subdomain
577    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  k_min_l             !< lowest vertical index of a building on subdomain
578    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  n_fa                !< counting array
579    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  num_facades_h       !< dummy array used for summing-up total number of
580                                                                    !< horizontal facade elements
581    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  num_facades_v       !< dummy array used for summing-up total number of
582                                                                    !< vertical facade elements
583    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  receive_dum_h       !< dummy array used for MPI_ALLREDUCE
584    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  receive_dum_v       !< dummy array used for MPI_ALLREDUCE
585
586    INTEGER(iwp), DIMENSION(0:numprocs-1) ::  num_buildings         !< number of buildings with different ID on entire model domain
587    INTEGER(iwp), DIMENSION(0:numprocs-1) ::  num_buildings_l       !< number of buildings with different ID on local subdomain
588
589    REAL(wp) ::  u_tmp                                     !< dummy for temporary calculation of u-value without h_is
590    REAL(wp) ::  du_tmp                                    !< 1/u_tmp
591    REAL(wp) ::  du_win_tmp                                !< 1/building(nb)%u_value_win
592    REAL(wp) ::  facade_area_v                             !< dummy to compute the total facade area from vertical walls
593
594    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  volume         !< total building volume at each discrete height level
595    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  volume_l       !< total building volume at each discrete height level,
596                                                           !< on local subdomain
597
598    CALL location_message( 'initializing indoor model', 'start' )
599!
600!-- Initializing of indoor model is only possible if buildings can be distinguished by their IDs.
601    IF ( .NOT. building_id_f%from_file )  THEN
602       message_string = 'Indoor model requires information about building_id'
603       CALL message( 'im_init', 'PA0999', 1, 2, 0, 6, 0  )
604    ENDIF
605!
606!-- Determine number of different building IDs on local subdomain.
607    num_buildings_l = 0
608    num_buildings   = 0
609    ALLOCATE( build_ids_l(1) )
610    DO  i = nxl, nxr
611       DO  j = nys, nyn
612          IF ( building_id_f%var(j,i) /= building_id_f%fill )  THEN
613             IF ( num_buildings_l(myid) > 0 )  THEN
614                IF ( ANY( building_id_f%var(j,i) == build_ids_l ) )  THEN
615                   CYCLE
616                ELSE
617                   num_buildings_l(myid) = num_buildings_l(myid) + 1
618!
619!--                Resize array with different local building ids
620                   ALLOCATE( build_ids_l_tmp(1:SIZE(build_ids_l)) )
621                   build_ids_l_tmp = build_ids_l
622                   DEALLOCATE( build_ids_l )
623                   ALLOCATE( build_ids_l(1:num_buildings_l(myid)) )
624                   build_ids_l(1:num_buildings_l(myid)-1) =                                        &
625                                                          build_ids_l_tmp(1:num_buildings_l(myid)-1)
626                   build_ids_l(num_buildings_l(myid)) = building_id_f%var(j,i)
627                   DEALLOCATE( build_ids_l_tmp )
628                ENDIF
629!
630!--          First occuring building id on PE
631             ELSE
632                num_buildings_l(myid) = num_buildings_l(myid) + 1
633                build_ids_l(1) = building_id_f%var(j,i)
634             ENDIF
635          ENDIF
636       ENDDO
637    ENDDO
638!
639!-- Determine number of building IDs for the entire domain. (Note, building IDs can appear multiple
640!-- times as buildings might be distributed over several PEs.)
641#if defined( __parallel )
642    CALL MPI_ALLREDUCE( num_buildings_l, num_buildings, numprocs, MPI_INTEGER, MPI_SUM, comm2d,    &
643                        ierr )
644#else
645    num_buildings = num_buildings_l
646#endif
647    ALLOCATE( build_ids(1:SUM(num_buildings)) )
648!
649!-- Gather building IDs. Therefore, first, determine displacements used required for MPI_GATHERV
650!-- call.
651    ALLOCATE( displace_dum(0:numprocs-1) )
652    displace_dum(0) = 0
653    DO i = 1, numprocs-1
654       displace_dum(i) = displace_dum(i-1) + num_buildings(i-1)
655    ENDDO
656
657#if defined( __parallel )
658    CALL MPI_ALLGATHERV( build_ids_l(1:num_buildings_l(myid)),                                     &
659                         num_buildings(myid),                                                      &
660                         MPI_INTEGER,                                                              &
661                         build_ids,                                                                &
662                         num_buildings,                                                            &
663                         displace_dum,                                                             &
664                         MPI_INTEGER,                                                              &
665                         comm2d, ierr )
666
667    DEALLOCATE( displace_dum )
668
669#else
670    build_ids = build_ids_l
671#endif
672!
673!-- Note: in parallel mode, building IDs can occur mutliple times, as each PE has send its own ids.
674!-- Therefore, sort out building IDs which appear multiple times.
675    num_build = 0
676    DO  n = 1, SIZE(build_ids)
677
678       IF ( ALLOCATED(build_ids_final) )  THEN
679          IF ( ANY( build_ids(n) == build_ids_final ) )  THEN
680             CYCLE
681          ELSE
682             num_build = num_build + 1
683!
684!--          Resize
685             ALLOCATE( build_ids_final_tmp(1:num_build) )
686             build_ids_final_tmp(1:num_build-1) = build_ids_final(1:num_build-1)
687             DEALLOCATE( build_ids_final )
688             ALLOCATE( build_ids_final(1:num_build) )
689             build_ids_final(1:num_build-1) = build_ids_final_tmp(1:num_build-1)
690             build_ids_final(num_build) = build_ids(n)
691             DEALLOCATE( build_ids_final_tmp )
692          ENDIF
693       ELSE
694          num_build = num_build + 1
695          ALLOCATE( build_ids_final(1:num_build) )
696          build_ids_final(num_build) = build_ids(n)
697       ENDIF
698    ENDDO
699
700!
701!-- Allocate building-data structure array. Note, this is a global array and all building IDs on
702!-- domain are known by each PE. Further attributes, e.g. height-dependent arrays, however, are only
703!-- allocated on PEs where  the respective building is present (in order to reduce memory demands).
704    ALLOCATE( buildings(1:num_build) )
705
706!
707!-- Store building IDs and check if building with certain ID is present on subdomain.
708    DO  nb = 1, num_build
709       buildings(nb)%id = build_ids_final(nb)
710
711       IF ( ANY( building_id_f%var(nys:nyn,nxl:nxr) == buildings(nb)%id ) )                        &
712          buildings(nb)%on_pe = .TRUE.
713    ENDDO
714!
715!-- Determine the maximum vertical dimension occupied by each building.
716    ALLOCATE( k_min_l(1:num_build) )
717    ALLOCATE( k_max_l(1:num_build) )
718    k_min_l = nzt + 1
719    k_max_l = 0
720
721    DO  i = nxl, nxr
722       DO  j = nys, nyn
723          IF ( building_id_f%var(j,i) /= building_id_f%fill )  THEN
724             nb = MINLOC( ABS( buildings(:)%id - building_id_f%var(j,i) ), DIM=1 )
725             DO  k = nzb, nzt+1
726!
727!--             Check if grid point belongs to a building.
728                IF ( BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 6 ) )  THEN
729                   k_min_l(nb) = MIN( k_min_l(nb), k )
730                   k_max_l(nb) = MAX( k_max_l(nb), k )
731                ENDIF
732
733             ENDDO
734          ENDIF
735       ENDDO
736    ENDDO
737
738#if defined( __parallel )
739    CALL MPI_ALLREDUCE( k_min_l(:), buildings(:)%kb_min, num_build, MPI_INTEGER, MPI_MIN, comm2d,  &
740                        ierr )
741    CALL MPI_ALLREDUCE( k_max_l(:), buildings(:)%kb_max, num_build, MPI_INTEGER, MPI_MAX, comm2d,  &
742                        ierr )
743#else
744    buildings(:)%kb_min = k_min_l(:)
745    buildings(:)%kb_max = k_max_l(:)
746#endif
747
748    DEALLOCATE( k_min_l )
749    DEALLOCATE( k_max_l )
750!
751!-- Calculate building height.
752    DO  nb = 1, num_build
753       buildings(nb)%building_height = 0.0_wp
754       DO  k = buildings(nb)%kb_min, buildings(nb)%kb_max
755          buildings(nb)%building_height = buildings(nb)%building_height + dzw(k+1)
756       ENDDO
757    ENDDO
758!
759!-- Calculate building volume
760    DO  nb = 1, num_build
761!
762!--    Allocate temporary array for summing-up building volume
763       ALLOCATE( volume(buildings(nb)%kb_min:buildings(nb)%kb_max)   )
764       ALLOCATE( volume_l(buildings(nb)%kb_min:buildings(nb)%kb_max) )
765       volume   = 0.0_wp
766       volume_l = 0.0_wp
767!
768!--    Calculate building volume per height level on each PE where these building is present.
769       IF ( buildings(nb)%on_pe )  THEN
770
771          ALLOCATE( buildings(nb)%volume(buildings(nb)%kb_min:buildings(nb)%kb_max)   )
772          ALLOCATE( buildings(nb)%vol_frac(buildings(nb)%kb_min:buildings(nb)%kb_max) )
773          buildings(nb)%volume   = 0.0_wp
774          buildings(nb)%vol_frac = 0.0_wp
775
776          IF ( ANY( building_id_f%var(nys:nyn,nxl:nxr) == buildings(nb)%id ) )  THEN
777             DO  i = nxl, nxr
778                DO  j = nys, nyn
779                   DO  k = buildings(nb)%kb_min, buildings(nb)%kb_max
780                      IF ( building_id_f%var(j,i) /= building_id_f%fill )                          &
781                         volume_l(k) = volume_l(k) + dx * dy * dzw(k+1)
782                   ENDDO
783                ENDDO
784             ENDDO
785          ENDIF
786       ENDIF
787!
788!--    Sum-up building volume from all subdomains
789#if defined( __parallel )
790       CALL MPI_ALLREDUCE( volume_l, volume, SIZE(volume), MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
791#else
792       volume = volume_l
793#endif
794!
795!--    Save total building volume as well as local fraction on volume on building data structure.
796       IF ( ALLOCATED( buildings(nb)%volume ) )  buildings(nb)%volume = volume
797!
798!--    Determine fraction of local on total building volume
799       IF ( buildings(nb)%on_pe )  buildings(nb)%vol_frac = volume_l / volume
800!
801!--    Calculate total building volume
802       IF ( ALLOCATED( buildings(nb)%volume ) )  buildings(nb)%vol_tot = SUM( buildings(nb)%volume )
803
804       DEALLOCATE( volume   )
805       DEALLOCATE( volume_l )
806
807    ENDDO
808!
809!-- Allocate arrays for indoor temperature.
810    DO  nb = 1, num_build
811       IF ( buildings(nb)%on_pe )  THEN
812          ALLOCATE( buildings(nb)%t_in(buildings(nb)%kb_min:buildings(nb)%kb_max)   )
813          ALLOCATE( buildings(nb)%t_in_l(buildings(nb)%kb_min:buildings(nb)%kb_max) )
814          buildings(nb)%t_in   = 0.0_wp
815          buildings(nb)%t_in_l = 0.0_wp
816       ENDIF
817    ENDDO
818!
819!-- Allocate arrays for number of facades per height level. Distinguish between horizontal and
820!-- vertical facades.
821    DO  nb = 1, num_build
822       IF ( buildings(nb)%on_pe )  THEN
823          ALLOCATE( buildings(nb)%num_facade_h(buildings(nb)%kb_min:buildings(nb)%kb_max) )
824          ALLOCATE( buildings(nb)%num_facade_v(buildings(nb)%kb_min:buildings(nb)%kb_max) )
825
826          buildings(nb)%num_facade_h = 0
827          buildings(nb)%num_facade_v = 0
828       ENDIF
829    ENDDO
830!
831!-- Determine number of facade elements per building on local subdomain.
832!-- Distinguish between horizontal and vertical facade elements.
833!
834!-- Horizontal facades
835    buildings(:)%num_facades_per_building_h_l = 0
836    DO  l = 0, 1
837       DO  m = 1, surf_usm_h(l)%ns
838!
839!--       For the current facade element determine corresponding building index.
840!--       First, obtain j,j,k indices of the building. Please note the offset between facade/surface
841!--       element and building location (for horizontal surface elements the horizontal offsets are
842!--       zero).
843          i = surf_usm_h(l)%i(m) + surf_usm_h(l)%ioff
844          j = surf_usm_h(l)%j(m) + surf_usm_h(l)%joff
845          k = surf_usm_h(l)%k(m) + surf_usm_h(l)%koff
846!
847!--       Determine building index and check whether building is on PE.
848          nb = MINLOC( ABS( buildings(:)%id - building_id_f%var(j,i) ), DIM=1 )
849
850          IF ( buildings(nb)%on_pe )  THEN
851!
852!--          Count number of facade elements at each height level.
853             buildings(nb)%num_facade_h(k) = buildings(nb)%num_facade_h(k) + 1
854!
855!--          Moreover, sum up number of local facade elements per building.
856             buildings(nb)%num_facades_per_building_h_l =                                             &
857                                                      buildings(nb)%num_facades_per_building_h_l + 1
858          ENDIF
859       ENDDO
860    ENDDO
861!
862!-- Vertical facades
863    buildings(:)%num_facades_per_building_v_l = 0
864    DO  l = 0, 3
865       DO  m = 1, surf_usm_v(l)%ns
866!
867!--       For the current facade element determine corresponding building index.
868!--       First, obtain j,j,k indices of the building. Please note the offset between facade/surface
869!--       element and building location (for vertical surface elements the vertical offsets are
870!--       zero).
871          i = surf_usm_v(l)%i(m) + surf_usm_v(l)%ioff
872          j = surf_usm_v(l)%j(m) + surf_usm_v(l)%joff
873          k = surf_usm_v(l)%k(m) + surf_usm_v(l)%koff
874
875          nb = MINLOC( ABS( buildings(:)%id - building_id_f%var(j,i) ), DIM=1 )
876          IF ( buildings(nb)%on_pe )  THEN
877             buildings(nb)%num_facade_v(k) = buildings(nb)%num_facade_v(k) + 1
878             buildings(nb)%num_facades_per_building_v_l =                                          &
879                                                      buildings(nb)%num_facades_per_building_v_l + 1
880          ENDIF
881       ENDDO
882    ENDDO
883!
884!-- Determine total number of facade elements per building and assign number to building data type.
885    DO  nb = 1, num_build
886!
887!--    Allocate dummy array used for summing-up facade elements.
888!--    Please note, dummy arguments are necessary as building-date type arrays are not necessarily
889!--    allocated on all PEs.
890       ALLOCATE( num_facades_h(buildings(nb)%kb_min:buildings(nb)%kb_max) )
891       ALLOCATE( num_facades_v(buildings(nb)%kb_min:buildings(nb)%kb_max) )
892       ALLOCATE( receive_dum_h(buildings(nb)%kb_min:buildings(nb)%kb_max) )
893       ALLOCATE( receive_dum_v(buildings(nb)%kb_min:buildings(nb)%kb_max) )
894       num_facades_h = 0
895       num_facades_v = 0
896       receive_dum_h = 0
897       receive_dum_v = 0
898
899       IF ( buildings(nb)%on_pe )  THEN
900          num_facades_h = buildings(nb)%num_facade_h
901          num_facades_v = buildings(nb)%num_facade_v
902       ENDIF
903
904#if defined( __parallel )
905       CALL MPI_ALLREDUCE( num_facades_h,                                                          &
906                           receive_dum_h,                                                          &
907                           buildings(nb)%kb_max - buildings(nb)%kb_min + 1,                        &
908                           MPI_INTEGER,                                                            &
909                           MPI_SUM,                                                                &
910                           comm2d,                                                                 &
911                           ierr )
912
913       CALL MPI_ALLREDUCE( num_facades_v,                                                          &
914                           receive_dum_v,                                                          &
915                           buildings(nb)%kb_max - buildings(nb)%kb_min + 1,                        &
916                           MPI_INTEGER,                                                            &
917                           MPI_SUM,                                                                &
918                           comm2d,                                                                 &
919                           ierr )
920       IF ( ALLOCATED( buildings(nb)%num_facade_h ) )  buildings(nb)%num_facade_h = receive_dum_h
921       IF ( ALLOCATED( buildings(nb)%num_facade_v ) )  buildings(nb)%num_facade_v = receive_dum_v
922#else
923       buildings(nb)%num_facade_h = num_facades_h
924       buildings(nb)%num_facade_v = num_facades_v
925#endif
926
927!
928!--    Deallocate dummy arrays
929       DEALLOCATE( num_facades_h )
930       DEALLOCATE( num_facades_v )
931       DEALLOCATE( receive_dum_h )
932       DEALLOCATE( receive_dum_v )
933!
934!--    Allocate index arrays which link facade elements with surface-data type.
935!--    Please note, no height levels are considered here (information is stored in surface-data type
936!--    itself).
937       IF ( buildings(nb)%on_pe )  THEN
938!
939!--       Determine number of facade elements per building.
940          buildings(nb)%num_facades_per_building_h = SUM( buildings(nb)%num_facade_h )
941          buildings(nb)%num_facades_per_building_v = SUM( buildings(nb)%num_facade_v )
942!
943!--       Allocate arrays which link the building with the horizontal and vertical urban-type
944!--       surfaces. Please note, linking arrays are allocated over all facade elements, which is
945!--       required in case a building is located at the subdomain boundaries, where the building and
946!--       the corresponding surface elements are located on different subdomains.
947          ALLOCATE( buildings(nb)%l_h(1:buildings(nb)%num_facades_per_building_h_l) )
948          ALLOCATE( buildings(nb)%m_h(1:buildings(nb)%num_facades_per_building_h_l) )
949
950          ALLOCATE( buildings(nb)%l_v(1:buildings(nb)%num_facades_per_building_v_l) )
951          ALLOCATE( buildings(nb)%m_v(1:buildings(nb)%num_facades_per_building_v_l) )
952
953          ALLOCATE( buildings(nb)%theta_m_t_prev_h(1:buildings(nb)%num_facades_per_building_h_l) )
954          ALLOCATE( buildings(nb)%theta_m_t_prev_v(1:buildings(nb)%num_facades_per_building_v_l) )
955       ENDIF
956
957       IF ( buildings(nb)%on_pe )  THEN
958          ALLOCATE( buildings(nb)%vpf(buildings(nb)%kb_min:buildings(nb)%kb_max) )
959          buildings(nb)%vpf = 0.0_wp
960
961          facade_area_v = 0.0_wp
962          DO  k = buildings(nb)%kb_min, buildings(nb)%kb_max
963             facade_area_v = facade_area_v + buildings(nb)%num_facade_v(k) * dzw(k+1) * dx
964          ENDDO
965!
966!--       Determine volume per total facade area (vpf). For the horizontal facade area
967!--       num_facades_per_building_h can be taken, multiplied with dx*dy.
968!--       However, due to grid stretching, vertical facade elements must be summed-up vertically.
969!--       Please note, if dx /= dy, an error is made!
970          buildings(nb)%vpf = buildings(nb)%vol_tot /                                              &
971                              ( buildings(nb)%num_facades_per_building_h * dx * dy + facade_area_v )
972!
973!--       Determine floor-area-per-facade.
974          buildings(nb)%fapf = buildings(nb)%num_facades_per_building_h     * dx * dy              &
975                               / ( buildings(nb)%num_facades_per_building_h * dx * dy              &
976                                   + facade_area_v )
977       ENDIF
978    ENDDO
979!
980!-- Link facade elements with surface data type.
981!-- Allocate array for counting.
982    ALLOCATE( n_fa(1:num_build) )
983    n_fa = 1
984
985    DO  l = 0, 1
986       DO  m = 1, surf_usm_h(l)%ns
987          i = surf_usm_h(l)%i(m) + surf_usm_h(l)%ioff
988          j = surf_usm_h(l)%j(m) + surf_usm_h(l)%joff
989
990          nb = MINLOC( ABS( buildings(:)%id - building_id_f%var(j,i) ), DIM=1 )
991
992          IF ( buildings(nb)%on_pe )  THEN
993             buildings(nb)%l_h(n_fa(nb)) = l
994             buildings(nb)%m_h(n_fa(nb)) = m
995             n_fa(nb) = n_fa(nb) + 1
996          ENDIF
997       ENDDO
998    ENDDO
999
1000    n_fa = 1
1001    DO  l = 0, 3
1002       DO  m = 1, surf_usm_v(l)%ns
1003          i = surf_usm_v(l)%i(m) + surf_usm_v(l)%ioff
1004          j = surf_usm_v(l)%j(m) + surf_usm_v(l)%joff
1005
1006          nb = MINLOC( ABS( buildings(:)%id - building_id_f%var(j,i) ), DIM=1 )
1007
1008          IF ( buildings(nb)%on_pe )  THEN
1009             buildings(nb)%l_v(n_fa(nb)) = l
1010             buildings(nb)%m_v(n_fa(nb)) = m
1011             n_fa(nb) = n_fa(nb) + 1
1012          ENDIF
1013       ENDDO
1014    ENDDO
1015    DEALLOCATE( n_fa )
1016!
1017!-- Initialize building parameters, first by mean building type. Note, in this case all buildings
1018!-- have the same type.
1019!-- In a second step initialize with building tpyes from static input file, where building types can
1020!-- be individual for each building.
1021    buildings(:)%lambda_layer3       = building_pars(31,building_type)
1022    buildings(:)%s_layer3            = building_pars(44,building_type)
1023    buildings(:)%f_c_win             = building_pars(119,building_type)
1024    buildings(:)%g_value_win         = building_pars(120,building_type)
1025    buildings(:)%u_value_win         = building_pars(121,building_type)
1026    buildings(:)%eta_ve              = building_pars(124,building_type)
1027    buildings(:)%factor_a            = building_pars(125,building_type)
1028    buildings(:)%factor_c            = building_pars(126,building_type)
1029    buildings(:)%lambda_at           = building_pars(127,building_type)
1030    buildings(:)%theta_int_h_set     = building_pars(13,building_type)
1031    buildings(:)%theta_int_c_set     = building_pars(12,building_type)
1032    buildings(:)%q_h_max             = building_pars(128,building_type)
1033    buildings(:)%q_c_max             = building_pars(129,building_type)
1034    buildings(:)%qint_high           = building_pars(130,building_type)
1035    buildings(:)%qint_low            = building_pars(131,building_type)
1036    buildings(:)%height_storey       = building_pars(132,building_type)
1037    buildings(:)%height_cei_con      = building_pars(133,building_type)
1038    buildings(:)%params_waste_heat_h = building_pars(134,building_type)
1039    buildings(:)%params_waste_heat_c = building_pars(135,building_type)
1040!
1041!-- Initialize seasonal dependent parameters, depending on day of the year.
1042!-- First, calculated day of the year.
1043    CALL get_date_time( time_since_reference_point, day_of_year = day_of_year )
1044!
1045!-- Summer is defined in between northward- and southward equinox.
1046    IF ( day_of_year >= northward_equinox  .AND.  day_of_year <= southward_equinox )  THEN
1047       buildings(:)%air_change_low      = summer_pars(0,building_type)
1048       buildings(:)%air_change_high     = summer_pars(1,building_type)
1049    ELSE
1050       buildings(:)%air_change_low      = winter_pars(0,building_type)
1051       buildings(:)%air_change_high     = winter_pars(1,building_type)
1052    ENDIF
1053!
1054!-- Initialize ventilation load. Please note, building types > 7 are actually not allowed (check
1055!-- already in urban_surface_mod and netcdf_data_input_mod.
1056!-- However, the building data base may be later extended.
1057    IF ( building_type ==  1  .OR.  building_type ==  2  .OR.                                      &
1058         building_type ==  3  .OR.  building_type == 10  .OR.                                      &
1059         building_type == 11  .OR.  building_type == 12 )  THEN
1060       buildings(:)%ventilation_int_loads = 1
1061!
1062!-- Office, building with large windows
1063    ELSEIF ( building_type ==  4  .OR.  building_type ==  5  .OR.                                  &
1064             building_type ==  6  .OR.  building_type ==  7  .OR.                                  &
1065             building_type ==  8  .OR.  building_type ==  9)  THEN
1066       buildings(:)%ventilation_int_loads = 2
1067!
1068!-- Industry, hospitals
1069    ELSEIF ( building_type == 13  .OR.  building_type == 14  .OR.                                  &
1070             building_type == 15  .OR.  building_type == 16  .OR.                                  &
1071             building_type == 17  .OR.  building_type == 18 )  THEN
1072       buildings(:)%ventilation_int_loads = 3
1073    ENDIF
1074!
1075!-- Initialization of building parameters - level 2
1076    IF ( building_type_f%from_file )  THEN
1077       DO  i = nxl, nxr
1078          DO  j = nys, nyn
1079              IF ( building_id_f%var(j,i) /= building_id_f%fill )  THEN
1080                 nb = MINLOC( ABS( buildings(:)%id - building_id_f%var(j,i) ), DIM=1 )
1081                 bt = building_type_f%var(j,i)
1082
1083                 buildings(nb)%lambda_layer3       = building_pars(31,bt)
1084                 buildings(nb)%s_layer3            = building_pars(44,bt)
1085                 buildings(nb)%f_c_win             = building_pars(119,bt)
1086                 buildings(nb)%g_value_win         = building_pars(120,bt)
1087                 buildings(nb)%u_value_win         = building_pars(121,bt)
1088                 buildings(nb)%eta_ve              = building_pars(124,bt)
1089                 buildings(nb)%factor_a            = building_pars(125,bt)
1090                 buildings(nb)%factor_c            = building_pars(126,bt)
1091                 buildings(nb)%lambda_at           = building_pars(127,bt)
1092                 buildings(nb)%theta_int_h_set     = building_pars(13,bt)
1093                 buildings(nb)%theta_int_c_set     = building_pars(12,bt)
1094                 buildings(nb)%q_h_max             = building_pars(128,bt)
1095                 buildings(nb)%q_c_max             = building_pars(129,bt)
1096                 buildings(nb)%qint_high           = building_pars(130,bt)
1097                 buildings(nb)%qint_low            = building_pars(131,bt)
1098                 buildings(nb)%height_storey       = building_pars(132,bt)
1099                 buildings(nb)%height_cei_con      = building_pars(133,bt)
1100                 buildings(nb)%params_waste_heat_h = building_pars(134,bt)
1101                 buildings(nb)%params_waste_heat_c = building_pars(135,bt)
1102
1103              IF ( day_of_year >= northward_equinox  .AND.  day_of_year <= southward_equinox )  THEN
1104                 buildings(nb)%air_change_low      = summer_pars(0,bt)
1105                 buildings(nb)%air_change_high     = summer_pars(1,bt)
1106              ELSE
1107                 buildings(nb)%air_change_low      = winter_pars(0,bt)
1108                 buildings(nb)%air_change_high     = winter_pars(1,bt)
1109              ENDIF
1110
1111!
1112!--              Initialize ventilaation load. Please note, building types > 7
1113!--              are actually not allowed (check already in urban_surface_mod
1114!--              and netcdf_data_input_mod. However, the building data base may
1115!--              be later extended.
1116                 IF ( bt ==  1  .OR.  bt ==  2  .OR.                                               &
1117                      bt ==  3  .OR.  bt == 10  .OR.                                               &
1118                      bt == 11  .OR.  bt == 12 )  THEN
1119                    buildings(nb)%ventilation_int_loads = 1
1120!
1121!--              Office, building with large windows
1122                 ELSEIF ( bt ==  4  .OR.  bt ==  5  .OR.                                           &
1123                          bt ==  6  .OR.  bt ==  7  .OR.                                           &
1124                          bt ==  8  .OR.  bt ==  9)  THEN
1125                    buildings(nb)%ventilation_int_loads = 2
1126!
1127!--              Industry, hospitals
1128                 ELSEIF ( bt == 13  .OR.  bt == 14  .OR.                                           &
1129                          bt == 15  .OR.  bt == 16  .OR.                                           &
1130                          bt == 17  .OR.  bt == 18 )  THEN
1131                    buildings(nb)%ventilation_int_loads = 3
1132                 ENDIF
1133              ENDIF
1134           ENDDO
1135        ENDDO
1136    ENDIF
1137!
1138!-- Calculation of surface-related heat transfer coeffiecient out of standard u-values from building
1139!-- database.
1140!-- Only amount of extern and surface is used.
1141!-- Otherwise amount between air and surface taken account twice.
1142    DO nb = 1, num_build
1143       IF ( buildings(nb)%on_pe ) THEN
1144          du_win_tmp = 1.0_wp / buildings(nb)%u_value_win
1145          u_tmp = buildings(nb)%u_value_win * ( du_win_tmp / ( du_win_tmp -                        &
1146                  0.125_wp + ( 1.0_wp / h_is ) ) )
1147
1148          du_tmp = 1.0_wp / u_tmp
1149
1150          buildings(nb)%h_es = 1.0_wp / ( du_tmp - ( 1.0_wp / h_is ) )
1151
1152       ENDIF
1153    ENDDO
1154!
1155!-- Initialize indoor temperature. Actually only for output at initial state.
1156    DO  nb = 1, num_build
1157       IF ( buildings(nb)%on_pe )  THEN
1158          buildings(nb)%t_in(:) = initial_indoor_temperature
1159
1160!
1161!--       (after first loop, use theta_m_t as theta_m_t_prev)
1162          buildings(nb)%theta_m_t_prev_h(:) = initial_indoor_temperature
1163          buildings(nb)%theta_m_t_prev_v(:) = initial_indoor_temperature
1164
1165       ENDIF
1166    ENDDO
1167
1168    CALL location_message( 'initializing indoor model', 'finished' )
1169
1170 END SUBROUTINE im_init
1171
1172
1173!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1174! Description:
1175! ------------
1176!> Main part of the indoor model.
1177!> Calculation of .... (kanani: Please describe)
1178!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1179 SUBROUTINE im_main_heatcool
1180
1181!     USE basic_constants_and_equations_mod,                                     &
1182!         ONLY:  c_p
1183
1184    USE control_parameters,                                                                        &
1185        ONLY:  time_since_reference_point
1186
1187    USE grid_variables,                                                                            &
1188        ONLY:  dx, dy
1189
1190    USE pegrid
1191
1192    USE surface_mod,                                                                               &
1193        ONLY:  ind_veg_wall, ind_wat_win, surf_usm_h, surf_usm_v
1194
1195    USE urban_surface_mod,                                                                         &
1196        ONLY:  building_type, nzt_wall, t_wall_h, t_wall_v, t_window_h, t_window_v
1197
1198
1199    INTEGER(iwp) ::  fa   !< running index for facade elements of each building
1200    INTEGER(iwp) ::  i    !< index of facade-adjacent atmosphere grid point in x-direction
1201    INTEGER(iwp) ::  j    !< index of facade-adjacent atmosphere grid point in y-direction
1202    INTEGER(iwp) ::  k    !< index of facade-adjacent atmosphere grid point in z-direction
1203    INTEGER(iwp) ::  kk   !< vertical index of indoor grid point adjacent to facade
1204    INTEGER(iwp) ::  l    !< running index for surface-element orientation
1205    INTEGER(iwp) ::  m    !< running index surface elements
1206    INTEGER(iwp) ::  nb   !< running index for buildings
1207
1208    REAL(wp) ::  indoor_wall_window_temperature   !< weighted temperature of innermost wall/window layer
1209   
1210    REAL(wp) ::  indoor_wall_temperature   !< temperature of innermost wall layer evtl in im_calc_temperatures einfÃŒgen
1211   
1212    REAL(wp) ::  near_facade_temperature          !< outside air temperature 10cm away from facade
1213    REAL(wp) ::  second_of_day                    !< second of the current day
1214    REAL(wp) ::  time_utc_hour                    !< time of day (hour UTC)
1215
1216    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  t_in_l_send   !< dummy send buffer used for summing-up indoor temperature per kk-level
1217    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  t_in_recv     !< dummy recv buffer used for summing-up indoor temperature per kk-level
1218!
1219!-- Determine time of day in hours.
1220    CALL get_date_time( time_since_reference_point, second_of_day=second_of_day )
1221    time_utc_hour = second_of_day / seconds_per_hour
1222!
1223!-- Following calculations must be done for each facade element.
1224    DO  nb = 1, num_build
1225!
1226!--    First, check whether building is present on local subdomain.
1227       IF ( buildings(nb)%on_pe )  THEN
1228!
1229!--       Determine daily schedule. 08:00-18:00 = 1, other hours = 0.
1230!--       Residental Building, panel WBS 70
1231          IF ( buildings(nb)%ventilation_int_loads == 1 )  THEN
1232             IF ( time_utc_hour >= 8.0_wp  .AND.  time_utc_hour <= 18.0_wp )  THEN
1233                schedule_d = 0
1234             ELSE
1235                schedule_d = 1
1236             ENDIF
1237          ENDIF
1238!
1239!--       Office, building with large windows
1240          IF ( buildings(nb)%ventilation_int_loads == 2 )  THEN
1241             IF ( time_utc_hour >= 8.0_wp  .AND.  time_utc_hour <= 18.0_wp )  THEN
1242                schedule_d = 1
1243             ELSE
1244                schedule_d = 0
1245             ENDIF
1246          ENDIF
1247!
1248!--       Industry, hospitals
1249          IF ( buildings(nb)%ventilation_int_loads == 3 )  THEN
1250             IF ( time_utc_hour >= 6.0_wp  .AND.  time_utc_hour <= 22.0_wp )  THEN
1251                schedule_d = 1
1252             ELSE
1253                schedule_d = 0
1254             ENDIF
1255          ENDIF
1256!
1257!--       Initialize/reset indoor temperature
1258          buildings(nb)%t_in_l = 0.0_wp
1259!
1260!--       Horizontal surfaces
1261          DO  fa = 1, buildings(nb)%num_facades_per_building_h_l
1262!
1263!--          Determine indices where corresponding surface-type information is stored.
1264             l = buildings(nb)%l_h(fa)
1265             m = buildings(nb)%m_h(fa)
1266!
1267!--          Determine building height level index.
1268             kk = surf_usm_h(l)%k(m) + surf_usm_h(l)%koff
1269!
1270!--          Building geometries --> not time-dependent
1271             facade_element_area          = dx * dy                               !< [m2] surface area per facade element
1272             floor_area_per_facade        = buildings(nb)%fapf                    !< [m2/m2] floor area per facade area
1273             indoor_volume_per_facade     = buildings(nb)%vpf(kk)                 !< [m3/m2] indoor air volume per facade area
1274             buildings(nb)%area_facade    = facade_element_area *                                  &
1275                                            ( buildings(nb)%num_facades_per_building_h +           &
1276                                              buildings(nb)%num_facades_per_building_v )              !< [m2] area of total facade
1277             window_area_per_facade       = surf_usm_h(l)%frac(m,ind_wat_win)  * facade_element_area  !< [m2] window area per facade
1278                                                                                                      !< element
1279
1280             buildings(nb)%net_floor_area = buildings(nb)%vol_tot / ( buildings(nb)%height_storey )
1281             total_area                   = buildings(nb)%net_floor_area                            !< [m2] area of all surfaces
1282                                                                                                    !< pointing to zone  Eq. (9) according to section 7.2.2.2
1283             a_m                          = buildings(nb)%factor_a * total_area *                  &
1284                                            ( facade_element_area / buildings(nb)%area_facade ) *  &
1285                                            buildings(nb)%lambda_at                                 !< [m2] standard values
1286                                                                                                    !< according to Table 12 section 12.3.1.2  (calculate over Eq. (65) according to section 12.3.1.2)
1287             c_m                          = buildings(nb)%factor_c * total_area *                  &
1288                                            ( facade_element_area / buildings(nb)%area_facade )     !< [J/K] standard values
1289                                                                                                    !< according to table 12 section 12.3.1.2 (calculate over Eq. (66) according to section 12.3.1.2)
1290!
1291!--          Calculation of heat transfer coefficient for transmission --> not time-dependent
1292             h_t_es   = window_area_per_facade * buildings(nb)%h_es                                   !< [W/K] only for windows
1293
1294             h_t_is  = buildings(nb)%area_facade * h_is                                               !< [W/K] with h_is = 3.45 W /
1295                                                                                                      !< (m2 K) between surface and air, Eq. (9)
1296             h_t_ms  = a_m * h_ms                                                                     !< [W/K] with h_ms = 9.10 W /
1297                                                                                                      !< (m2 K) between component and surface, Eq. (64)
1298             h_t_wall  = 1.0_wp / ( 1.0_wp / ( ( facade_element_area - window_area_per_facade )    &  !< [W/K]
1299                                    * buildings(nb)%lambda_layer3 / buildings(nb)%s_layer3 * 0.5_wp &
1300                                             ) + 1.0_wp / h_t_ms )                                    !< [W/K] opaque components
1301             h_t_wm  = 1.0_wp / ( 1.0_wp / h_t_wall - 1.0_wp / h_t_ms )                               !< [W/K] emmision Eq. (63),
1302                                                                                                      !< Section 12.2.2
1303!
1304!--          Internal air loads dependent on the occupacy of the room.
1305!--          Basical internal heat gains (qint_low) with additional internal heat gains by occupancy (qint_high) (0,5*phi_int).
1306             phi_ia = 0.5_wp * ( ( buildings(nb)%qint_high * schedule_d + buildings(nb)%qint_low ) &
1307                              * floor_area_per_facade )
1308             q_int = phi_ia / total_area
1309!
1310!--          Airflow dependent on the occupacy of the room.
1311!--          Basical airflow (air_change_low) with additional airflow gains by occupancy (air_change_high)
1312             air_change = ( buildings(nb)%air_change_high * schedule_d + buildings(nb)%air_change_low )  !< [1/h]?
1313!
1314!--          Heat transfer of ventilation.
1315!--          Not less than 0.01 W/K to avoid division by 0 in further calculations with heat
1316!--          capacity of air 0.33 Wh/m2K.
1317             h_v   = MAX( 0.01_wp , ( air_change * indoor_volume_per_facade *                      &
1318                                      0.33_wp * (1.0_wp - buildings(nb)%eta_ve ) ) )    !< [W/K] from ISO 13789 Eq.(10)
1319
1320!--          Heat transfer coefficient auxiliary variables
1321             h_t_1 = 1.0_wp / ( ( 1.0_wp / h_v )   + ( 1.0_wp / h_t_is ) )  !< [W/K] Eq. (C.6)
1322             h_t_2 = h_t_1 + h_t_es                                         !< [W/K] Eq. (C.7)
1323             h_t_3 = 1.0_wp / ( ( 1.0_wp / h_t_2 ) + ( 1.0_wp / h_t_ms ) )  !< [W/K] Eq. (C.8)
1324!
1325!--          Net short-wave radiation through window area (was i_global)
1326             net_sw_in = surf_usm_h(l)%rad_sw_in(m) - surf_usm_h(l)%rad_sw_out(m)
1327!
1328!--          Quantities needed for im_calc_temperatures
1329             i = surf_usm_h(l)%i(m)
1330             j = surf_usm_h(l)%j(m)
1331             k = surf_usm_h(l)%k(m)
1332             near_facade_temperature = surf_usm_h(l)%pt_10cm(m)
1333             indoor_wall_window_temperature =                                                             &
1334                                            surf_usm_h(l)%frac(m,ind_veg_wall) * t_wall_h(l)%val(nzt_wall,m) &
1335                                          + surf_usm_h(l)%frac(m,ind_wat_win)  * t_window_h(l)%val(nzt_wall,m)
1336             indoor_wall_temperature = surf_usm_h(l)%frac(m,ind_veg_wall) * t_wall_h(l)%val(nzt_wall,m)
1337!
1338!--          Solar thermal gains. If net_sw_in larger than sun-protection threshold parameter
1339!--          (params_solar_protection), sun protection will be activated.
1340             IF ( net_sw_in <= params_solar_protection )  THEN
1341                solar_protection_off = 1
1342                solar_protection_on  = 0
1343             ELSE
1344                solar_protection_off = 0
1345                solar_protection_on  = 1
1346             ENDIF
1347!
1348!--          Calculation of total heat gains from net_sw_in through windows [W] in respect on
1349!--          automatic sun protection.
1350!--          DIN 4108 - 2 chap.8
1351             phi_sol = (   window_area_per_facade * net_sw_in * solar_protection_off               &
1352                         + window_area_per_facade * net_sw_in * buildings(nb)%f_c_win *            &
1353                           solar_protection_on )                                                   &
1354                       * buildings(nb)%g_value_win * ( 1.0_wp - params_f_f ) * params_f_w
1355             q_sol = phi_sol
1356!
1357!--          Calculation of the mass specific thermal load for internal and external heatsources of
1358!--          the inner node.
1359             phi_m   = (a_m / total_area) * ( phi_ia + phi_sol )                                    !< [W] Eq. (C.2) with
1360                                                                                                    !< phi_ia=0,5*phi_int
1361             q_c_m = phi_m
1362!
1363!--          Calculation mass specific thermal load implied non thermal mass
1364             phi_st  =   ( 1.0_wp - ( a_m / total_area ) - ( h_t_es / ( 9.1_wp * total_area ) ) )  &
1365                       * ( phi_ia + phi_sol )                                                       !< [W] Eq. (C.3) with
1366                                                                                                    !< phi_ia=0,5*phi_int
1367             q_c_st = phi_st
1368!
1369!--          Calculations for deriving indoor temperature and heat flux into the wall
1370!--          Step 1: indoor temperature without heating and cooling
1371!--          section C.4.1 Picture C.2 zone 3)
1372             phi_hc_nd = 0.0_wp
1373
1374             CALL  im_calc_temperatures ( i, j, k, indoor_wall_temperature, &
1375                                          near_facade_temperature, phi_hc_nd, buildings(nb)%theta_m_t_prev_h(fa) )
1376!
1377!--          If air temperature between border temperatures of heating and cooling, assign output
1378!--          variable, then ready.
1379             IF ( buildings(nb)%theta_int_h_set <= theta_air  .AND.                                &
1380                  theta_air <= buildings(nb)%theta_int_c_set )  THEN
1381                phi_hc_nd_ac = 0.0_wp
1382                phi_hc_nd    = phi_hc_nd_ac
1383                theta_air_ac = theta_air
1384!
1385!--          Step 2: Else, apply 10 W/m2 heating/cooling power and calculate indoor temperature
1386!--          again.
1387             ELSE
1388!
1389!--             Temperature not correct, calculation method according to section C4.2
1390                theta_air_0 = theta_air                                                  !< temperature without heating/cooling
1391!
1392!--             Heating or cooling?
1393                IF ( theta_air_0 > buildings(nb)%theta_int_c_set )  THEN
1394                   theta_air_set = buildings(nb)%theta_int_c_set
1395                ELSE
1396                   theta_air_set = buildings(nb)%theta_int_h_set
1397                ENDIF
1398!
1399!--             Calculate the temperature with phi_hc_nd_10
1400                phi_hc_nd_10 = 10.0_wp * floor_area_per_facade
1401                phi_hc_nd    = phi_hc_nd_10
1402
1403                CALL  im_calc_temperatures ( i, j, k, indoor_wall_temperature, &
1404                                             near_facade_temperature, phi_hc_nd, buildings(nb)%theta_m_t_prev_h(fa) )
1405                theta_air_10 = theta_air                                                !< temperature with 10 W/m2 of heating
1406                phi_hc_nd_un = phi_hc_nd_10 * (theta_air_set - theta_air_0)                        &
1407                                            / (theta_air_10  - theta_air_0)             !< Eq. (C.13)
1408!
1409!--             Step 3: with temperature ratio to determine the heating or cooling capacity.
1410!--             If necessary, limit the power to maximum power.
1411!--             section C.4.1 Picture C.2 zone 2) and 4)
1412                buildings(nb)%phi_c_max = buildings(nb)%q_c_max * floor_area_per_facade
1413                buildings(nb)%phi_h_max = buildings(nb)%q_h_max * floor_area_per_facade
1414                IF ( buildings(nb)%phi_c_max < phi_hc_nd_un  .AND.                                 &
1415                     phi_hc_nd_un < buildings(nb)%phi_h_max )  THEN
1416                   phi_hc_nd_ac = phi_hc_nd_un
1417                   phi_hc_nd = phi_hc_nd_un
1418                ELSE
1419!
1420!--             Step 4: inner temperature with maximum heating (phi_hc_nd_un positive) or cooling
1421!--                     (phi_hc_nd_un negative)
1422!--             section C.4.1 Picture C.2 zone 1) and 5)
1423                   IF ( phi_hc_nd_un > 0.0_wp )  THEN
1424                      phi_hc_nd_ac = buildings(nb)%phi_h_max                            !< Limit heating
1425                   ELSE
1426                      phi_hc_nd_ac = buildings(nb)%phi_c_max                            !< Limit cooling
1427                   ENDIF
1428                ENDIF
1429                phi_hc_nd = phi_hc_nd_ac
1430!
1431!--             Calculate the temperature with phi_hc_nd_ac (new)
1432                CALL  im_calc_temperatures ( i, j, k, indoor_wall_temperature, &
1433                                             near_facade_temperature, phi_hc_nd, buildings(nb)%theta_m_t_prev_h(fa) )
1434                theta_air_ac = theta_air
1435             ENDIF
1436!
1437!--          Update theta_m_t_prev
1438             buildings(nb)%theta_m_t_prev_h(fa) = theta_m_t
1439
1440
1441             q_vent = h_v * ( theta_air - near_facade_temperature )
1442!
1443!--          Calculate the operating temperature with weighted mean temperature of air and mean
1444!--          solar temperature.
1445!--          Will be used for thermal comfort calculations.
1446             theta_op     = 0.3_wp * theta_air_ac + 0.7_wp * theta_s          !< [degree_C] operative Temperature Eq. (C.12)
1447
1448!              surf_usm_h(l)%t_indoor(m) = theta_op                               !< not integrated now
1449!
1450!--          Heat flux into the wall. Value needed in urban_surface_mod to
1451!--          calculate heat transfer through wall layers towards the facade
1452!--          (use c_p * rho_surface to convert [W/m2] into [K m/s])
1453             IF ( (facade_element_area - window_area_per_facade) > 0.0_wp )  THEN
1454                q_wall = h_t_wm * ( indoor_wall_temperature - theta_m )                 &
1455                                    / ( facade_element_area - window_area_per_facade )
1456             ELSE
1457                q_wall = 0.0_wp
1458             ENDIF
1459
1460             IF ( window_area_per_facade > 0.0_wp )  THEN
1461                q_win = h_t_es * ( pt(k,j,i) - theta_s ) / ( window_area_per_facade )
1462             ELSE
1463                q_win = 0.0_wp
1464             ENDIF
1465!
1466!--          Transfer q_wall & q_win back to USM (innermost wall/window layer)
1467             surf_usm_h(l)%iwghf_eb(m)        = - q_wall
1468             surf_usm_h(l)%iwghf_eb_window(m) = - q_win
1469!
1470!--          Sum up operational indoor temperature per kk-level. Further below, this temperature is
1471!--          reduced by MPI to one temperature per kk-level and building (processor overlapping).
1472             buildings(nb)%t_in_l(kk) = buildings(nb)%t_in_l(kk) + theta_op
1473!
1474!--          Calculation of waste heat.
1475!--          Anthropogenic heat output.
1476             IF ( phi_hc_nd_ac > 0.0_wp )  THEN
1477                heating_on = 1
1478                cooling_on = 0
1479             ELSE
1480                heating_on = 0
1481                cooling_on = -1
1482             ENDIF
1483
1484             q_waste_heat = ( phi_hc_nd * (                                                        &
1485                              buildings(nb)%params_waste_heat_h * heating_on +                     &
1486                              buildings(nb)%params_waste_heat_c * cooling_on )                     &
1487                            ) / facade_element_area                                             !< [W/m2] , observe the directional
1488                                                                                                !< convention in PALM!
1489             surf_usm_h(l)%waste_heat(m) = 0.0_wp !q_waste_heat
1490          ENDDO !< Horizontal surfaces loop
1491!
1492!--       Vertical surfaces
1493          DO  fa = 1, buildings(nb)%num_facades_per_building_v_l
1494!
1495!--          Determine indices where corresponding surface-type information is stored.
1496             l = buildings(nb)%l_v(fa)
1497             m = buildings(nb)%m_v(fa)
1498!
1499!--          Determine building height level index.
1500             kk = surf_usm_v(l)%k(m) + surf_usm_v(l)%koff
1501!
1502!--          (SOME OF THE FOLLOWING (not time-dependent) COULD PROBABLY GO INTO A FUNCTION
1503!--          EXCEPT facade_element_area, EVERYTHING IS CALCULATED EQUALLY)
1504!--          Building geometries  --> not time-dependent
1505             IF ( l == 0  .OR. l == 1 ) facade_element_area = dx * dzw(kk+1)    !< [m2] surface area per facade element
1506             IF ( l == 2  .OR. l == 3 ) facade_element_area = dy * dzw(kk+1)    !< [m2] surface area per facade element
1507
1508             floor_area_per_facade        = buildings(nb)%fapf                  !< [m2/m2] floor area per facade area
1509             indoor_volume_per_facade     = buildings(nb)%vpf(kk)               !< [m3/m2] indoor air volume per facade area
1510             buildings(nb)%area_facade    = facade_element_area *                                  &
1511                                            ( buildings(nb)%num_facades_per_building_h +           &
1512                                              buildings(nb)%num_facades_per_building_v )              !< [m2] area of total facade
1513             window_area_per_facade       = surf_usm_v(l)%frac(m,ind_wat_win) * facade_element_area   !< [m2] window area per
1514                                                                                                      !< facade element
1515
1516             buildings(nb)%net_floor_area = buildings(nb)%vol_tot / ( buildings(nb)%height_storey )
1517             total_area                   = buildings(nb)%net_floor_area                              !< [m2] area of all surfaces
1518                                                                                                      !< pointing to zone  Eq. (9) according to section 7.2.2.2
1519             a_m                          = buildings(nb)%factor_a * total_area *                  &
1520                                            ( facade_element_area / buildings(nb)%area_facade ) *  &
1521                                              buildings(nb)%lambda_at                                 !< [m2] standard values
1522                                                                                                      !< according to Table 12 section 12.3.1.2  (calculate over Eq. (65) according to section 12.3.1.2)
1523             c_m                          = buildings(nb)%factor_c * total_area *                   &
1524                                            ( facade_element_area / buildings(nb)%area_facade )       !< [J/K] standard values
1525                                                                                                      !< according to table 12 section 12.3.1.2 (calculate over Eq. (66) according to section 12.3.1.2)
1526!
1527!--          Calculation of heat transfer coefficient for transmission --> not time-dependent
1528             h_t_es   = window_area_per_facade * buildings(nb)%h_es                                   !< [W/K] only for windows
1529
1530             h_t_is  = buildings(nb)%area_facade  * h_is                                              !< [W/K] with h_is = 3.45 W /
1531                                                                                                      !< (m2 K) between surface and air, Eq. (9)
1532             h_t_ms  = a_m * h_ms                                                                     !< [W/K] with h_ms = 9.10 W /
1533                                                                                                      !< (m2 K) between component and surface, Eq. (64)
1534             h_t_wall  = 1.0_wp / ( 1.0_wp / ( ( facade_element_area - window_area_per_facade )    &  !< [W/K]
1535                                    * buildings(nb)%lambda_layer3 / buildings(nb)%s_layer3 * 0.5_wp &
1536                                             ) + 1.0_wp / h_t_ms )                                    !< [W/K] opaque components
1537             h_t_wm  = 1.0_wp / ( 1.0_wp / h_t_wall - 1.0_wp / h_t_ms )                               !< [W/K] emmision Eq. (63), Section 12.2.2
1538!
1539!--          Internal air loads dependent on the occupacy of the room.
1540!--          Basical internal heat gains (qint_low) with additional internal heat gains by occupancy
1541!--          (qint_high) (0,5*phi_int)
1542             phi_ia = 0.5_wp * ( ( buildings(nb)%qint_high * schedule_d + buildings(nb)%qint_low ) &
1543                             * floor_area_per_facade )
1544             q_int = phi_ia
1545
1546!
1547!--          Airflow dependent on the occupacy of the room.
1548!--          Basical airflow (air_change_low) with additional airflow gains by occupancy
1549!--          (air_change_high)
1550             air_change = ( buildings(nb)%air_change_high * schedule_d +                           &
1551                          buildings(nb)%air_change_low )
1552!
1553!--          Heat transfer of ventilation.
1554!--          Not less than 0.01 W/K to avoid division by 0 in further calculations with heat
1555!--          capacity of air 0.33 Wh/m2K
1556             h_v   = MAX( 0.01_wp , ( air_change * indoor_volume_per_facade *                      &
1557                                    0.33_wp * (1.0_wp - buildings(nb)%eta_ve ) ) )                    !< [W/K] from ISO 13789
1558                                                                                                      !< Eq.(10)
1559
1560!--          Heat transfer coefficient auxiliary variables
1561             h_t_1 = 1.0_wp / ( ( 1.0_wp / h_v )   + ( 1.0_wp / h_t_is ) )                            !< [W/K] Eq. (C.6)
1562             h_t_2 = h_t_1 + h_t_es                                                                   !< [W/K] Eq. (C.7)
1563             h_t_3 = 1.0_wp / ( ( 1.0_wp / h_t_2 ) + ( 1.0_wp / h_t_ms ) )                            !< [W/K] Eq. (C.8)
1564!
1565!--          Net short-wave radiation through window area (was i_global)
1566             net_sw_in = surf_usm_v(l)%rad_sw_in(m) - surf_usm_v(l)%rad_sw_out(m)
1567!
1568!--          Quantities needed for im_calc_temperatures
1569             i = surf_usm_v(l)%i(m)
1570             j = surf_usm_v(l)%j(m)
1571             k = surf_usm_v(l)%k(m)
1572             near_facade_temperature = surf_usm_v(l)%pt_10cm(m)
1573             indoor_wall_window_temperature =                                                          &
1574                                    surf_usm_v(l)%frac(m,ind_veg_wall) * t_wall_v(l)%val(nzt_wall,m)   &
1575                                  + surf_usm_v(l)%frac(m,ind_wat_win)  * t_window_v(l)%val(nzt_wall,m)
1576             indoor_wall_temperature = surf_usm_v(l)%frac(m,ind_veg_wall) * t_wall_v(l)%val(nzt_wall,m) 
1577
1578!
1579!--          Solar thermal gains. If net_sw_in larger than sun-protection
1580!--          threshold parameter (params_solar_protection), sun protection will
1581!--          be activated
1582             IF ( net_sw_in <= params_solar_protection )  THEN
1583                solar_protection_off = 1
1584                solar_protection_on  = 0
1585             ELSE
1586                solar_protection_off = 0
1587                solar_protection_on  = 1
1588             ENDIF
1589!
1590!--          Calculation of total heat gains from net_sw_in through windows [W] in respect on
1591!--          automatic sun protection.
1592!--          DIN 4108 - 2 chap.8
1593             phi_sol = (   window_area_per_facade * net_sw_in * solar_protection_off               &
1594                         + window_area_per_facade * net_sw_in * buildings(nb)%f_c_win *            &
1595                           solar_protection_on )                                                   &
1596                       * buildings(nb)%g_value_win * ( 1.0_wp - params_f_f ) * params_f_w
1597             q_sol = phi_sol
1598!
1599!--          Calculation of the mass specific thermal load for internal and external heatsources.
1600             phi_m   = (a_m / total_area) * ( phi_ia + phi_sol )          !< [W] Eq. (C.2) with phi_ia=0,5*phi_int
1601             q_c_m = phi_m
1602!
1603!--          Calculation mass specific thermal load implied non thermal mass.
1604             phi_st  =   ( 1.0_wp - ( a_m / total_area ) - ( h_t_es / ( 9.1_wp * total_area ) ) )  &
1605                       * ( phi_ia + phi_sol )                                                       !< [W] Eq. (C.3) with
1606                                                                                                    !< phi_ia=0,5*phi_int
1607             q_c_st = phi_st
1608!
1609!--          Calculations for deriving indoor temperature and heat flux into the wall.
1610!--          Step 1: indoor temperature without heating and cooling.
1611!--          section C.4.1 Picture C.2 zone 3)
1612             phi_hc_nd = 0.0_wp
1613             CALL im_calc_temperatures ( i, j, k, indoor_wall_temperature, &
1614                                         near_facade_temperature, phi_hc_nd, buildings(nb)%theta_m_t_prev_v(fa) )
1615!
1616!--          If air temperature between border temperatures of heating and cooling, assign output
1617!--          variable, then ready.
1618             IF ( buildings(nb)%theta_int_h_set <= theta_air  .AND.                                &
1619                  theta_air <= buildings(nb)%theta_int_c_set )  THEN
1620                phi_hc_nd_ac = 0.0_wp
1621                phi_hc_nd    = phi_hc_nd_ac
1622                theta_air_ac = theta_air
1623!
1624!--          Step 2: Else, apply 10 W/m2 heating/cooling power and calculate indoor temperature
1625!--          again.
1626             ELSE
1627!
1628!--             Temperature not correct, calculation method according to section C4.2
1629                theta_air_0 = theta_air !< Note temperature without heating/cooling
1630!
1631!--             Heating or cooling?
1632                IF ( theta_air_0 > buildings(nb)%theta_int_c_set )  THEN
1633                   theta_air_set = buildings(nb)%theta_int_c_set
1634                ELSE
1635                   theta_air_set = buildings(nb)%theta_int_h_set
1636                ENDIF
1637
1638!--             Calculate the temperature with phi_hc_nd_10
1639                phi_hc_nd_10 = 10.0_wp * floor_area_per_facade
1640                phi_hc_nd    = phi_hc_nd_10
1641
1642                CALL  im_calc_temperatures ( i, j, k, indoor_wall_temperature, &
1643                                             near_facade_temperature, phi_hc_nd, buildings(nb)%theta_m_t_prev_v(fa) )
1644
1645                theta_air_10 = theta_air !< Note the temperature with 10 W/m2 of heating
1646
1647                phi_hc_nd_un = phi_hc_nd_10 * ( theta_air_set - theta_air_0 )                      &
1648                                            / ( theta_air_10  - theta_air_0 )            !< Eq. (C.13)
1649!
1650!--             Step 3: with temperature ratio to determine the heating or cooling capacity
1651!--             If necessary, limit the power to maximum power.
1652!--             section C.4.1 Picture C.2 zone 2) and 4)
1653                buildings(nb)%phi_c_max = buildings(nb)%q_c_max * floor_area_per_facade
1654                buildings(nb)%phi_h_max = buildings(nb)%q_h_max * floor_area_per_facade
1655                IF ( buildings(nb)%phi_c_max < phi_hc_nd_un  .AND.                                 &
1656                     phi_hc_nd_un < buildings(nb)%phi_h_max )  THEN
1657                   phi_hc_nd_ac = phi_hc_nd_un
1658                   phi_hc_nd = phi_hc_nd_un
1659                ELSE
1660!
1661!--             Step 4: inner temperature with maximum heating (phi_hc_nd_un positive) or cooling
1662!--                     (phi_hc_nd_un negative)
1663!--             section C.4.1 Picture C.2 zone 1) and 5)
1664                   IF ( phi_hc_nd_un > 0.0_wp )  THEN
1665                      phi_hc_nd_ac = buildings(nb)%phi_h_max                                         !< Limit heating
1666                   ELSE
1667                      phi_hc_nd_ac = buildings(nb)%phi_c_max                                         !< Limit cooling
1668                   ENDIF
1669                ENDIF
1670                phi_hc_nd = phi_hc_nd_ac
1671!
1672!--             Calculate the temperature with phi_hc_nd_ac (new)
1673                CALL  im_calc_temperatures ( i, j, k, indoor_wall_temperature, &
1674                                             near_facade_temperature, phi_hc_nd, buildings(nb)%theta_m_t_prev_v(fa) )
1675                theta_air_ac = theta_air
1676             ENDIF
1677!
1678!--          Update theta_m_t_prev
1679             buildings(nb)%theta_m_t_prev_v(fa) = theta_m_t
1680
1681
1682             q_vent = h_v * ( theta_air - near_facade_temperature )
1683!
1684!--          Calculate the operating temperature with weighted mean of temperature of air and mean.
1685!--          Will be used for thermal comfort calculations.
1686             theta_op     = 0.3_wp * theta_air_ac + 0.7_wp * theta_s
1687
1688!              surf_usm_v(l)%t_indoor(m) = theta_op                  !< not integrated yet
1689!
1690!--          Heat flux into the wall. Value needed in urban_surface_mod to
1691!--          calculate heat transfer through wall layers towards the facade
1692             q_wall = h_t_wm * ( indoor_wall_temperature - theta_m )                               &
1693                                    / ( facade_element_area - window_area_per_facade )
1694             q_win = h_t_es * ( pt(k,j,i) - theta_s )                                              &
1695                                    / ( window_area_per_facade )
1696!
1697!--          Transfer q_wall & q_win back to USM (innermost wall/window layer)
1698             surf_usm_v(l)%iwghf_eb(m)        = - q_wall
1699             surf_usm_v(l)%iwghf_eb_window(m) = - q_win
1700!
1701!--          Sum up operational indoor temperature per kk-level. Further below, this temperature is
1702!--          reduced by MPI to one temperature per kk-level and building (processor overlapping).
1703             buildings(nb)%t_in_l(kk) = buildings(nb)%t_in_l(kk) + theta_op
1704!
1705!--          Calculation of waste heat.
1706!--          Anthropogenic heat output.
1707             IF ( phi_hc_nd_ac > 0.0_wp )  THEN
1708                heating_on = 1
1709                cooling_on = 0
1710             ELSE
1711                heating_on = 0
1712                cooling_on = -1
1713             ENDIF
1714
1715             q_waste_heat = ( phi_hc_nd * ( buildings(nb)%params_waste_heat_h * heating_on +       &
1716                                            buildings(nb)%params_waste_heat_c * cooling_on )       &
1717                                                    ) / facade_element_area  !< [W/m2] , observe the directional convention in
1718                                                                             !< PALM!
1719             surf_usm_v(l)%waste_heat(m) = 0.0_wp !q_waste_heat
1720          ENDDO !< Vertical surfaces loop
1721       ENDIF !< buildings(nb)%on_pe
1722    ENDDO !< buildings loop
1723
1724!
1725!-- Determine the mean building temperature.
1726    DO  nb = 1, num_build
1727!
1728!--    Allocate dummy array used for summing-up facade elements.
1729!--    Please note, dummy arguments are necessary as building-date type arrays are not necessarily
1730!--    allocated on all PEs.
1731       ALLOCATE( t_in_l_send(buildings(nb)%kb_min:buildings(nb)%kb_max) )
1732       ALLOCATE( t_in_recv(buildings(nb)%kb_min:buildings(nb)%kb_max) )
1733       t_in_l_send = 0.0_wp
1734       t_in_recv   = 0.0_wp
1735
1736       IF ( buildings(nb)%on_pe )  THEN
1737          t_in_l_send = buildings(nb)%t_in_l
1738       ENDIF
1739
1740
1741#if defined( __parallel )
1742       CALL MPI_ALLREDUCE( t_in_l_send,                                                            &
1743                           t_in_recv,                                                              &
1744                           buildings(nb)%kb_max - buildings(nb)%kb_min + 1,                        &
1745                           MPI_REAL,                                                               &
1746                           MPI_SUM,                                                                &
1747                           comm2d,                                                                 &
1748                           ierr )
1749
1750       IF ( ALLOCATED( buildings(nb)%t_in ) )  buildings(nb)%t_in = t_in_recv
1751#else
1752       IF ( ALLOCATED( buildings(nb)%t_in ) )  buildings(nb)%t_in = buildings(nb)%t_in_l
1753#endif
1754
1755       IF ( ALLOCATED( buildings(nb)%t_in ) )  THEN
1756!
1757!--       Average indoor temperature. Note, in case a building is completely surrounded by higher
1758!--       buildings, it may have no facade elements at some height levels, which will lead to a
1759!--       division by zero.
1760          DO  k = buildings(nb)%kb_min, buildings(nb)%kb_max
1761             IF ( buildings(nb)%num_facade_h(k) + buildings(nb)%num_facade_v(k) > 0 )  THEN
1762                buildings(nb)%t_in(k) = buildings(nb)%t_in(k) /                                    &
1763                                        REAL( buildings(nb)%num_facade_h(k) +                      &
1764                                              buildings(nb)%num_facade_v(k), KIND = wp )
1765             ENDIF
1766          ENDDO
1767!
1768!--       If indoor temperature is not defined because of missing facade elements, the values from
1769!--       the above-lying level will be taken.
1770!--       At least at the top of the buildings facades are defined, so that at least there an indoor
1771!--       temperature is defined. This information will propagate downwards the building.
1772          DO  k = buildings(nb)%kb_max-1, buildings(nb)%kb_min, -1
1773             IF ( buildings(nb)%num_facade_h(k) + buildings(nb)%num_facade_v(k) <= 0 )  THEN
1774                buildings(nb)%t_in(k) = buildings(nb)%t_in(k+1)
1775             ENDIF
1776          ENDDO
1777       ENDIF
1778
1779
1780!
1781!--    Deallocate dummy arrays
1782       DEALLOCATE( t_in_l_send )
1783       DEALLOCATE( t_in_recv )
1784
1785    ENDDO
1786
1787 END SUBROUTINE im_main_heatcool
1788
1789
1790!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1791! Description:
1792!-------------
1793!> Check data output for plant canopy model
1794!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1795 SUBROUTINE im_check_data_output( var, unit )
1796
1797    CHARACTER (LEN=*) ::  unit   !<
1798    CHARACTER (LEN=*) ::  var    !<
1799
1800    SELECT CASE ( TRIM( var ) )
1801
1802
1803        CASE ( 'im_hf_roof')
1804           unit = 'W m-2'
1805
1806        CASE ( 'im_hf_wall_win' )
1807           unit = 'W m-2'
1808
1809        CASE ( 'im_hf_wall_win_waste' )
1810           unit = 'W m-2'
1811
1812        CASE ( 'im_hf_roof_waste' )
1813           unit = 'W m-2'
1814
1815        CASE ( 'im_t_indoor_mean' )
1816           unit = 'K'
1817
1818        CASE ( 'im_t_indoor_roof' )
1819           unit = 'K'
1820
1821        CASE ( 'im_t_indoor_wall_win' )
1822           unit = 'K'
1823           
1824        CASE ( 'im_t_indoor_wall' )
1825           unit = 'K'
1826
1827        CASE DEFAULT
1828           unit = 'illegal'
1829
1830    END SELECT
1831
1832 END SUBROUTINE
1833
1834
1835!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1836! Description:
1837!-------------
1838!> Check parameters routine for plant canopy model
1839!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1840 SUBROUTINE im_check_parameters
1841
1842!   USE control_parameters,
1843!       ONLY: message_string
1844
1845 END SUBROUTINE im_check_parameters
1846
1847
1848!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1849! Description:
1850!-------------
1851!> Subroutine defining appropriate grid for netcdf variables.
1852!> It is called from subroutine netcdf.
1853!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1854 SUBROUTINE im_define_netcdf_grid( var, found, grid_x, grid_y, grid_z )
1855
1856    CHARACTER (LEN=*), INTENT(OUT) ::  grid_x
1857    CHARACTER (LEN=*), INTENT(OUT) ::  grid_y
1858    CHARACTER (LEN=*), INTENT(OUT) ::  grid_z
1859    CHARACTER (LEN=*), INTENT(IN)  ::  var
1860
1861    LOGICAL, INTENT(OUT)           ::  found
1862
1863
1864    found   = .TRUE.
1865!
1866!-- Check for the grid
1867    SELECT CASE ( TRIM( var ) )
1868
1869       CASE ( 'im_hf_roof', 'im_hf_roof_waste' )
1870          grid_x = 'x'
1871          grid_y = 'y'
1872          grid_z = 'zw'
1873!
1874!--    Heat fluxes at vertical walls are actually defined on stagged grid, i.e. xu, yv.
1875       CASE ( 'im_hf_wall_win', 'im_hf_wall_win_waste' )
1876          grid_x = 'x'
1877          grid_y = 'y'
1878          grid_z = 'zu'
1879
1880       CASE ( 'im_t_indoor_mean', 'im_t_indoor_roof', 'im_t_indoor_wall_win', 'indoor_wall' )
1881          grid_x = 'x'
1882          grid_y = 'y'
1883          grid_z = 'zw'
1884
1885       CASE DEFAULT
1886          found  = .FALSE.
1887          grid_x = 'none'
1888          grid_y = 'none'
1889          grid_z = 'none'
1890    END SELECT
1891
1892 END SUBROUTINE im_define_netcdf_grid
1893
1894
1895!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1896! Description:
1897! ------------
1898!> Subroutine defining 3D output variables
1899!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1900 SUBROUTINE im_data_output_3d( av, variable, found, local_pf, fill_value, nzb_do, nzt_do )
1901
1902    USE indices
1903
1904    USE kinds
1905
1906    CHARACTER (LEN=*) ::  variable !<
1907
1908    INTEGER(iwp) ::  av    !<
1909    INTEGER(iwp) ::  i     !<
1910    INTEGER(iwp) ::  j     !<
1911    INTEGER(iwp) ::  k     !<
1912    INTEGER(iwp) ::  l     !<
1913    INTEGER(iwp) ::  m     !<
1914    INTEGER(iwp) ::  nb    !< index of the building in the building data structure
1915    INTEGER(iwp) ::  nzb_do !< lower limit of the data output (usually 0)
1916    INTEGER(iwp) ::  nzt_do !< vertical upper limit of the data output (usually nz_do3d)
1917
1918    LOGICAL      ::  found !<
1919
1920    REAL(wp), INTENT(IN) ::  fill_value !< value for the _FillValue attribute
1921
1922    REAL(sp), DIMENSION(nxl:nxr,nys:nyn,nzb_do:nzt_do) ::  local_pf !<
1923
1924    local_pf = fill_value
1925
1926    found = .TRUE.
1927
1928    SELECT CASE ( TRIM( variable ) )
1929!
1930!--     Output of indoor temperature. All grid points within the building are filled with values,
1931!--     while atmospheric grid points are set to _FillValues.
1932        CASE ( 'im_t_indoor_mean' )
1933           IF ( av == 0 ) THEN
1934              DO  i = nxl, nxr
1935                 DO  j = nys, nyn
1936                    IF ( building_id_f%var(j,i) /= building_id_f%fill )  THEN
1937!
1938!--                    Determine index of the building within the building data structure.
1939                       nb = MINLOC( ABS( buildings(:)%id - building_id_f%var(j,i) ), DIM=1 )
1940                       IF ( buildings(nb)%on_pe )  THEN
1941!
1942!--                       Write mean building temperature onto output array. Please note, in
1943!--                       contrast to many other loops in the output, the vertical bounds are
1944!--                       determined by the lowest and hightest vertical index occupied by the
1945!--                       building.
1946                          DO  k = buildings(nb)%kb_min, buildings(nb)%kb_max
1947                             local_pf(i,j,k) = buildings(nb)%t_in(k)
1948                          ENDDO
1949                       ENDIF
1950                    ENDIF
1951                 ENDDO
1952              ENDDO
1953           ENDIF
1954
1955        CASE ( 'im_hf_roof' )
1956           IF ( av == 0 )  THEN
1957              DO  m = 1, surf_usm_h(0)%ns
1958                 i = surf_usm_h(0)%i(m) !+ surf_usm_h%ioff
1959                 j = surf_usm_h(0)%j(m) !+ surf_usm_h%joff
1960                 k = surf_usm_h(0)%k(m) !+ surf_usm_h%koff
1961                 local_pf(i,j,k) = surf_usm_h(0)%iwghf_eb(m)
1962              ENDDO
1963           ENDIF
1964
1965        CASE ( 'im_hf_roof_waste' )
1966           IF ( av == 0 )  THEN
1967              DO m = 1, surf_usm_h(0)%ns
1968                 i = surf_usm_h(0)%i(m) !+ surf_usm_h%ioff
1969                 j = surf_usm_h(0)%j(m) !+ surf_usm_h%joff
1970                 k = surf_usm_h(0)%k(m) !+ surf_usm_h%koff
1971                 local_pf(i,j,k) = surf_usm_h(0)%waste_heat(m)
1972              ENDDO
1973           ENDIF
1974
1975       CASE ( 'im_hf_wall_win' )
1976           IF ( av == 0 )  THEN
1977              DO l = 0, 3
1978                 DO m = 1, surf_usm_v(l)%ns
1979                    i = surf_usm_v(l)%i(m) !+ surf_usm_v(l)%ioff
1980                    j = surf_usm_v(l)%j(m) !+ surf_usm_v(l)%joff
1981                    k = surf_usm_v(l)%k(m) !+ surf_usm_v(l)%koff
1982                    local_pf(i,j,k) = surf_usm_v(l)%iwghf_eb(m)
1983                 ENDDO
1984              ENDDO
1985           ENDIF
1986
1987        CASE ( 'im_hf_wall_win_waste' )
1988           IF ( av == 0 )  THEN
1989              DO l = 0, 3
1990                 DO m = 1, surf_usm_v(l)%ns
1991                    i = surf_usm_v(l)%i(m) !+ surf_usm_v(l)%ioff
1992                    j = surf_usm_v(l)%j(m) !+ surf_usm_v(l)%joff
1993                    k = surf_usm_v(l)%k(m) !+ surf_usm_v(l)%koff
1994                    local_pf(i,j,k) =  surf_usm_v(l)%waste_heat(m)
1995                 ENDDO
1996              ENDDO
1997           ENDIF
1998
1999!
2000!< NOTE im_t_indoor_roof and im_t_indoor_wall_win not work yet
2001
2002!         CASE ( 'im_t_indoor_roof' )
2003!            IF ( av == 0 )  THEN
2004!               DO  m = 1, surf_usm_h%ns
2005!                   i = surf_usm_h%i(m) !+ surf_usm_h%ioff
2006!                   j = surf_usm_h%j(m) !+ surf_usm_h%joff
2007!                   k = surf_usm_h%k(m) !+ surf_usm_h%koff
2008!                   local_pf(i,j,k) = surf_usm_h%t_indoor(m)
2009!               ENDDO
2010!            ENDIF
2011!
2012!         CASE ( 'im_t_indoor_wall_win' )
2013!            IF ( av == 0 )  THEN
2014!               DO l = 0, 3
2015!                  DO m = 1, surf_usm_v(l)%ns
2016!                     i = surf_usm_v(l)%i(m) !+ surf_usm_v(l)%ioff
2017!                     j = surf_usm_v(l)%j(m) !+ surf_usm_v(l)%joff
2018!                     k = surf_usm_v(l)%k(m) !+ surf_usm_v(l)%koff
2019!                     local_pf(i,j,k) = surf_usm_v(l)%t_indoor(m)
2020!                  ENDDO
2021!               ENDDO
2022!            ENDIF
2023
2024        CASE DEFAULT
2025           found = .FALSE.
2026
2027    END SELECT
2028
2029 END SUBROUTINE im_data_output_3d
2030
2031
2032!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
2033! Description:
2034! ------------
2035!> Parin for &indoor_parameters for indoor model
2036!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
2037 SUBROUTINE im_parin
2038
2039    USE control_parameters,                                                                        &
2040        ONLY:  indoor_model
2041
2042
2043    CHARACTER (LEN=80) ::  line  !< string containing current line of file PARIN
2044
2045    NAMELIST /indoor_parameters/  initial_indoor_temperature
2046
2047
2048!
2049!-- Try to find indoor model package
2050    REWIND ( 11 )
2051    line = ' '
2052    DO  WHILE ( INDEX( line, '&indoor_parameters' ) == 0 )
2053       READ ( 11, '(A)', END=10 )  line
2054    ENDDO
2055    BACKSPACE ( 11 )
2056
2057!
2058!-- Read user-defined namelist
2059    READ ( 11, indoor_parameters )
2060!
2061!-- Set flag that indicates that the indoor model is switched on
2062    indoor_model = .TRUE.
2063
2064!
2065!--    Activate spinup (maybe later
2066!        IF ( spinup_time > 0.0_wp )  THEN
2067!           coupling_start_time = spinup_time
2068!           end_time = end_time + spinup_time
2069!           IF ( spinup_pt_mean == 9999999.9_wp )  THEN
2070!              spinup_pt_mean = pt_surface
2071!           ENDIF
2072!           spinup = .TRUE.
2073!        ENDIF
2074
2075 10 CONTINUE
2076
2077 END SUBROUTINE im_parin
2078
2079
2080END MODULE indoor_model_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.