source: palm/trunk/SOURCE/indoor_model_mod.f90 @ 4783

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bugfix for reading restart data with MPI-I/O (does not work with blockwise I/O); missed revision comments from previous commit added

  • Property svn:keywords set to Id
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Line 
1!> @file indoor_model_mod.f90
2!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
3! This file is part of the PALM model system.
4!
5! PALM is free software: you can redistribute it and/or modify it under the terms of the GNU General
6! Public License as published by the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or
7! (at your option) any later version.
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9! PALM is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the
10! implied warranty of MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. See the GNU General
11! Public License for more details.
12!
13! You should have received a copy of the GNU General Public License along with PALM. If not, see
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 4783 2020-11-13 13:58:45Z raasch $
27! Change parameters for summer_pars and winter_pars (responsible: S. Rissmann)
28!
29! 4780 2020-11-10 11:17:10Z suehring
30! Enable 3D data output also with 64-bit precision
31!
32! 4750 2020-10-16 14:27:48Z suehring
33! - Namelist parameter added to switch-off/on the indoor model during wall/soil spinup
34! - Bugfix in window-wall treatment during spinup - in the urban-surface model the window fraction
35!   is set to zero during spinup, so it is done here also
36! - Bugfix in wall treatment - inner wall temperature was too low due to wrong weighting of
37!   wall/green/window fractions
38!
39! 4730 2020-10-07 10:48:51Z suehring
40! Bugfix - avoid divisions by zero
41!
42! 4709 2020-09-28 19:20:00Z maronga
43! Bugfix: avoid division by zero in case of zero window fraction (now also for vertical walls).
44! Reactivated waste heat.
45!
46! 4704 2020-09-28 10:13:03Z maronga
47! Bugfix: avoid division by zero in case of zero window fraction
48!
49! 4702 2020-09-27 18:39:00Z maronga
50! Removed unused variable indoor_wall_window_temperature
51!
52! 4701 2020-09-27 11:02:15Z maronga
53! Heat transfer for wall and windows back to USM separated into q_wall and q_win (instead q_wall_win).
54! Heat flow direction revised (heat flow positive from outside to inside).
55! New variable indoor_wall_temperature (for q_wall).
56! Removed unused quantity q_trans.
57!
58! 4698 2020-09-25 08:37:55Z maronga
59! Fixed faulty characters
60!
61! 4687 2020-09-21 19:40:16Z maronga
62! Bugfix: values of theta_m_t_prev were not stored for individual surfaces and thus re-used by all
63! surfaces and buildings, which led to excessive indoor temperatures
64!
65! 4681 2020-09-16 10:23:06Z pavelkrc
66! Bugfix for implementation of downward surfaces
67!
68! 4671 2020-09-09 20:27:58Z pavelkrc
69! Implementation of downward facing USM and LSM surfaces
70!
71! 4646 2020-08-24 16:02:40Z raasch
72! file re-formatted to follow the PALM coding standard
73!
74! 4481 2020-03-31 18:55:54Z maronga
75! Change order of dimension in surface array %frac to allow for better vectorization.
76!
77! 4441 2020-03-04 19:20:35Z suehring
78! Major bugfix in calculation of energy demand - floor-area-per-facade was wrongly calculated
79! leading to unrealistically high energy demands and thus to unreallistically high waste-heat
80! fluxes.
81!
82! 4346 2019-12-18 11:55:56Z motisi
83! Introduction of wall_flags_total_0, which currently sets bits based on static topography
84! information used in wall_flags_static_0
85!
86! 4329 2019-12-10 15:46:36Z motisi
87! Renamed wall_flags_0 to wall_flags_static_0
88!
89! 4310 2019-11-26 19:01:28Z suehring
90! Remove dt_indoor from namelist input. The indoor model is an hourly-based model, calling it
91! more/less often lead to inaccurate results.
92!
93! 4299 2019-11-22 10:13:38Z suehring
94! Output of indoor temperature revised (to avoid non-defined values within buildings)
95!
96! 4267 2019-10-16 18:58:49Z suehring
97! Bugfix in initialization, some indices to access building_pars where wrong.
98! Introduction of seasonal parameters.
99!
100! 4246 2019-09-30 09:27:52Z pavelkrc
101!
102!
103! 4242 2019-09-27 12:59:10Z suehring
104! Bugfix in array index
105!
106! 4238 2019-09-25 16:06:01Z suehring
107! - Bugfix in determination of minimum facade height and in location message
108! - Bugfix, avoid division by zero
109! - Some optimization
110!
111! 4227 2019-09-10 18:04:34Z gronemeier
112! implement new palm_date_time_mod
113!
114! 4217 2019-09-04 09:47:05Z scharf
115! Corrected "Former revisions" section
116!
117! 4209 2019-09-02 12:00:03Z suehring
118! - Bugfix in initialization of indoor temperature
119! - Prescibe default indoor temperature in case it is not given in the namelist input
120!
121! 4182 2019-08-21 14:37:54Z scharf
122! Corrected "Former revisions" section
123!
124! 4148 2019-08-08 11:26:00Z suehring
125! Bugfix in case of non grid-resolved buildings. Further, vertical grid spacing is now considered at
126! the correct level.
127! - change calculation of a_m and c_m
128! - change calculation of u-values (use h_es in building array)
129! - rename h_tr_... to  h_t_...
130!          h_tr_em  to  h_t_wm
131!          h_tr_op  to  h_t_wall
132!          h_tr_w   to  h_t_es
133! - rename h_ve     to  h_v
134! - rename h_is     to  h_ms
135! - inserted net_floor_area
136! - inserted params_waste_heat_h, params_waste_heat_c from building database
137!   in building array
138! - change calculation of q_waste_heat
139! - bugfix in averaging mean indoor temperature
140!
141! 3759 2019-02-21 15:53:45Z suehring
142! - Calculation of total building volume
143! - Several bugfixes
144! - Calculation of building height revised
145!
146! 3745 2019-02-15 18:57:56Z suehring
147! - remove building_type from module
148! - initialize parameters for each building individually instead of a bulk initializaion with
149!   identical building type for all
150! - output revised
151! - add missing _wp
152! - some restructuring of variables in building data structure
153!
154! 3744 2019-02-15 18:38:58Z suehring
155! Some interface calls moved to module_interface + cleanup
156!
157! 3469 2018-10-30 20:05:07Z kanani
158! Initial revision (tlang, suehring, kanani, srissman)!
159!
160! Authors:
161! --------
162! @author Tobias Lang
163! @author Jens Pfafferott
164! @author Farah Kanani-Suehring
165! @author Matthias Suehring
166! @author Sascha Rissmann
167! @author Bjoern Maronga
168!
169!
170! Description:
171! ------------
172!> Module for Indoor Climate Model (ICM)
173!> The module is based on the DIN EN ISO 13790 with simplified hour-based procedure.
174!> This model is a equivalent circuit diagram of a three-point RC-model (5R1C).
175!> This module differs between indoor-air temperature an average temperature of indoor surfaces which make it prossible to determine
176!> thermal comfort
177!> the heat transfer between indoor and outdoor is simplified
178
179!> @todo Many statement comments that are given as doxygen comments need to be changed to normal comments
180!> @todo Replace window_area_per_facade by %frac(1,m) for window
181!> @todo emissivity change for window blinds if solar_protection_on=1
182
183!> @note Do we allow use of integer flags, or only logical flags? (concerns e.g. cooling_on, heating_on)
184!> @note How to write indoor temperature output to pt array?
185!>
186!> @bug  Calculation of iwghf_eb and iwghf_eb_window is faulty
187!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
188 MODULE indoor_model_mod
189
190    USE arrays_3d,                                                                                 &
191        ONLY:  ddzw,                                                                               &
192               dzw,                                                                                &
193               pt
194
195    USE control_parameters,                                                                        &
196        ONLY:  initializing_actions
197
198    USE kinds
199
200    USE netcdf_data_input_mod,                                                                     &
201        ONLY:  building_id_f, building_type_f
202
203    USE palm_date_time_mod,                                                                        &
204        ONLY:  get_date_time, northward_equinox, seconds_per_hour, southward_equinox
205
206    USE surface_mod,                                                                               &
207        ONLY:  surf_usm_h, surf_usm_v
208
209
210    IMPLICIT NONE
211
212!
213!-- Define data structure for buidlings.
214    TYPE build
215
216       INTEGER(iwp) ::  id                                !< building ID
217       INTEGER(iwp) ::  kb_max                            !< highest vertical index of a building
218       INTEGER(iwp) ::  kb_min                            !< lowest vertical index of a building
219       INTEGER(iwp) ::  num_facades_per_building_h = 0    !< total number of horizontal facades elements
220       INTEGER(iwp) ::  num_facades_per_building_h_l = 0  !< number of horizontal facade elements on local subdomain
221       INTEGER(iwp) ::  num_facades_per_building_v = 0    !< total number of vertical facades elements
222       INTEGER(iwp) ::  num_facades_per_building_v_l = 0  !< number of vertical facade elements on local subdomain
223       INTEGER(iwp) ::  ventilation_int_loads             !< [-] allocation of activity in the building
224
225       INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  l_h            !< index array linking surface-element orientation index
226                                                                  !< for horizontal surfaces with building
227       INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  l_v            !< index array linking surface-element orientation index
228                                                                  !< for vertical surfaces with building
229       INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  m_h            !< index array linking surface-element index for
230                                                                  !< horizontal surfaces with building
231       INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  m_v            !< index array linking surface-element index for
232                                                                  !< vertical surfaces with building
233       INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  num_facade_h   !< number of horizontal facade elements per buidling
234                                                                  !< and height level
235       INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  num_facade_v   !< number of vertical facades elements per buidling
236                                                                  !< and height level
237
238
239       LOGICAL ::  on_pe = .FALSE.   !< flag indicating whether a building with certain ID is on local subdomain
240
241       REAL(wp) ::  air_change_high       !< [1/h] air changes per time_utc_hour
242       REAL(wp) ::  air_change_low        !< [1/h] air changes per time_utc_hour
243       REAL(wp) ::  area_facade           !< [m2] area of total facade
244       REAL(wp) ::  building_height       !< building height
245       REAL(wp) ::  eta_ve                !< [-] heat recovery efficiency
246       REAL(wp) ::  factor_a              !< [-] Dynamic parameters specific effective surface according to Table 12; 2.5
247                                          !< (very light, light and medium), 3.0 (heavy), 3.5 (very heavy)
248       REAL(wp) ::  factor_c              !< [J/(m2 K)] Dynamic parameters inner heatstorage according to Table 12; 80000
249                                          !< (very light), 110000 (light), 165000 (medium), 260000 (heavy), 370000 (very heavy)
250       REAL(wp) ::  f_c_win               !< [-] shading factor
251       REAL(wp) ::  fapf                  !< [m2/m2] floor area per facade
252       REAL(wp) ::  g_value_win           !< [-] SHGC factor
253       REAL(wp) ::  h_es                  !< [W/(m2 K)] surface-related heat transfer coefficient between extern and surface
254       REAL(wp) ::  height_cei_con        !< [m] ceiling construction heigth
255       REAL(wp) ::  height_storey         !< [m] storey heigth
256       REAL(wp) ::  params_waste_heat_c   !< [-] anthropogenic heat outputs for cooling e.g. 1.33 for KKM with COP = 3
257       REAL(wp) ::  params_waste_heat_h   !< [-] anthropogenic heat outputs for heating e.g. 1 - 0.9 = 0.1 for combustion with
258                                          !< eta = 0.9 or -2 for WP with COP = 3
259       REAL(wp) ::  phi_c_max             !< [W] Max. Cooling capacity (negative)
260       REAL(wp) ::  phi_h_max             !< [W] Max. Heating capacity (positive)
261       REAL(wp) ::  q_c_max               !< [W/m2] Max. Cooling heat flux per netto floor area (negative)
262       REAL(wp) ::  q_h_max               !< [W/m2] Max. Heating heat flux per netto floor area (positive)
263       REAL(wp) ::  qint_high             !< [W/m2] internal heat gains, option Database qint_0-23
264       REAL(wp) ::  qint_low              !< [W/m2] internal heat gains, option Database qint_0-23
265       REAL(wp) ::  lambda_at             !< [-] ratio internal surface/floor area chap. 7.2.2.2.
266       REAL(wp) ::  lambda_layer3         !< [W/(m*K)] Thermal conductivity of the inner layer
267       REAL(wp) ::  net_floor_area        !< [m2] netto ground area
268       REAL(wp) ::  s_layer3              !< [m] half thickness of the inner layer (layer_3)
269       REAL(wp) ::  theta_int_c_set       !< [degree_C] Max. Setpoint temperature (summer)
270       REAL(wp) ::  theta_int_h_set       !< [degree_C] Max. Setpoint temperature (winter)
271       REAL(wp) ::  u_value_win           !< [W/(m2*K)] transmittance
272       REAL(wp) ::  vol_tot               !< [m3] total building volume
273
274       REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  t_in       !< mean building indoor temperature, height dependent
275       REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  t_in_l     !< mean building indoor temperature on local subdomain, height dependent
276       REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  theta_m_t_prev_h !< [degree_C] value of theta_m_t from previous time step (horizontal)
277       REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  theta_m_t_prev_v !< [degree_C] value of theta_m_t from previous time step (vertical)
278       REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  volume     !< total building volume, height dependent
279       REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  vol_frac   !< fraction of local on total building volume, height dependent
280       REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  vpf        !< building volume volume per facade element, height dependent
281
282    END TYPE build
283
284    TYPE(build), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  buildings   !< building array
285
286    INTEGER(iwp) ::  cooling_on              !< Indoor cooling flag (0=off, 1=on)
287    INTEGER(iwp) ::  heating_on              !< Indoor heating flag (0=off, 1=on)
288    INTEGER(iwp) ::  num_build               !< total number of buildings in domain
289    INTEGER(iwp) ::  solar_protection_off    !< Solar protection off
290    INTEGER(iwp) ::  solar_protection_on     !< Solar protection on
291
292    LOGICAL ::  indoor_during_spinup = .FALSE.      !< namelist parameter used to switch-off/on the indoor model during spinup
293!
294!-- Declare all global variables within the module
295
296    REAL(wp), PARAMETER ::  dt_indoor = 3600.0_wp                  !< [s] time interval for indoor-model application, fixed to
297                                                                   !< 3600.0 due to model requirements
298    REAL(wp), PARAMETER ::  h_is                     = 3.45_wp     !< [W/(m2 K)] surface-related heat transfer coefficient between
299                                                                   !< surface and air (chap. 7.2.2.2)
300    REAL(wp), PARAMETER ::  h_ms                     = 9.1_wp      !< [W/(m2 K)] surface-related heat transfer coefficient between
301                                                                   !< component and surface (chap. 12.2.2)
302    REAL(wp), PARAMETER ::  params_f_f               = 0.3_wp      !< [-] frame ratio chap. 8.3.2.1.1 for buildings with mostly
303                                                                   !< cooling 2.0_wp
304    REAL(wp), PARAMETER ::  params_f_w               = 0.9_wp      !< [-] correction factor (fuer nicht senkrechten Stahlungseinfall
305                                                                   !< DIN 4108-2 chap.8, (hier konstant, keine WinkelabhÀngigkeit)
306    REAL(wp), PARAMETER ::  params_f_win             = 0.5_wp      !< [-] proportion of window area, Database A_win aus
307                                                                   !< Datenbank 27 window_area_per_facade_percent
308    REAL(wp), PARAMETER ::  params_solar_protection  = 300.0_wp    !< [W/m2] chap. G.5.3.1 sun protection closed, if the radiation
309                                                                   !< on facade exceeds this value
310
311    REAL(wp) ::  a_m                                 !< [m2] the effective mass-related area
312    REAL(wp) ::  air_change                          !< [1/h] Airflow
313    REAL(wp) ::  c_m                                 !< [J/K] internal heat storage capacity
314    REAL(wp) ::  facade_element_area                 !< [m2_facade] building surface facade
315    REAL(wp) ::  floor_area_per_facade               !< [m2/m2] floor area per facade area
316    REAL(wp) ::  h_t_1                               !< [W/K] Heat transfer coefficient auxiliary variable 1
317    REAL(wp) ::  h_t_2                               !< [W/K] Heat transfer coefficient auxiliary variable 2
318    REAL(wp) ::  h_t_3                               !< [W/K] Heat transfer coefficient auxiliary variable 3
319    REAL(wp) ::  h_t_es                              !< [W/K] heat transfer coefficient of doors, windows, curtain walls and
320                                                     !< glazed walls (assumption: thermal mass=0)
321    REAL(wp) ::  h_t_is                              !< [W/K] thermal coupling conductance (Thermischer Kopplungsleitwert)
322    REAL(wp) ::  h_t_ms                              !< [W/K] Heat transfer conductance term (got with h_t_wm the thermal mass)
323    REAL(wp) ::  h_t_wall                            !< [W/K] heat transfer coefficient of opaque components (assumption: got all
324                                                     !< thermal mass) contains of h_t_wm and h_t_ms
325    REAL(wp) ::  h_t_wm                              !< [W/K] Heat transfer coefficient of the emmision (got with h_t_ms the
326                                                     !< thermal mass)
327    REAL(wp) ::  h_v                                 !< [W/K] heat transfer of ventilation
328    REAL(wp) ::  indoor_volume_per_facade            !< [m3] indoor air volume per facade element
329    REAL(wp) ::  initial_indoor_temperature = 293.15 !< [K] initial indoor temperature (namelist parameter)
330    REAL(wp) ::  net_sw_in                           !< [W/m2] net short-wave radiation
331    REAL(wp) ::  phi_hc_nd                           !< [W] heating demand and/or cooling demand
332    REAL(wp) ::  phi_hc_nd_10                        !< [W] heating demand and/or cooling demand for heating or cooling
333    REAL(wp) ::  phi_hc_nd_ac                        !< [W] actual heating demand and/or cooling demand
334    REAL(wp) ::  phi_hc_nd_un                        !< [W] unlimited heating demand and/or cooling demand which is necessary to
335                                                     !< reach the demanded required temperature (heating is positive,
336                                                     !< cooling is negative)
337    REAL(wp) ::  phi_ia                              !< [W] internal air load = internal loads * 0.5, Eq. (C.1)
338    REAL(wp) ::  phi_m                               !< [W] mass specific thermal load (internal and external)
339    REAL(wp) ::  phi_mtot                            !< [W] total mass specific thermal load (internal and external)
340    REAL(wp) ::  phi_sol                             !< [W] solar loads
341    REAL(wp) ::  phi_st                              !< [W] mass specific thermal load implied non thermal mass
342    REAL(wp) ::  q_wall                              !< [W/m2]heat flux from indoor into wall
343    REAL(wp) ::  q_win                               !< [W/m2]heat flux from indoor into window
344    REAL(wp) ::  q_waste_heat                        !< [W/m2]waste heat, sum of waste heat over the roof to Palm
345
346    REAL(wp) ::  q_c_m                               !< [W] Energy of thermal storage mass specific thermal load for internal
347                                                     !< and external heatsources (for energy bilanz)
348    REAL(wp) ::  q_c_st                              !< [W] Energy of thermal storage mass specific thermal load implied non
349                                                     !< thermal mass (for energy bilanz)
350    REAL(wp) ::  q_int                               !< [W] Energy of internal air load (for energy bilanz)
351    REAL(wp) ::  q_sol                               !< [W] Energy of solar (for energy bilanz)
352    REAL(wp) ::  q_vent                              !< [W] Energy of ventilation (for energy bilanz)
353
354    REAL(wp) ::  schedule_d                          !< [-] activation for internal loads (low or high + low)
355    REAL(wp) ::  skip_time_do_indoor = 0.0_wp        !< [s] Indoor model is not called before this time
356    REAL(wp) ::  theta_air                           !< [degree_C] air temperature of the RC-node
357    REAL(wp) ::  theta_air_0                         !< [degree_C] air temperature of the RC-node in equilibrium
358    REAL(wp) ::  theta_air_10                        !< [degree_C] air temperature of the RC-node from a heating capacity
359                                                     !< of 10 W/m2
360    REAL(wp) ::  theta_air_ac                        !< [degree_C] actual room temperature after heating/cooling
361    REAL(wp) ::  theta_air_set                       !< [degree_C] Setpoint_temperature for the room
362    REAL(wp) ::  theta_m                             !< [degree_C} inner temperature of the RC-node
363    REAL(wp) ::  theta_m_t                           !< [degree_C] (Fictive) component temperature during timestep
364    REAL(wp) ::  theta_op                            !< [degree_C] operative temperature
365    REAL(wp) ::  theta_s                             !< [degree_C] surface temperature of the RC-node
366    REAL(wp) ::  time_indoor = 0.0_wp                !< [s] time since last call of indoor model
367    REAL(wp) ::  total_area                          !< [m2] area of all surfaces pointing to zone
368    REAL(wp) ::  window_area_per_facade              !< [m2] window area per facade element
369
370!
371!-- Definition of seasonal parameters, summer and winter, for different building types
372    REAL(wp), DIMENSION(0:1,1:7) ::  summer_pars = RESHAPE( (/                & ! building_type 1
373                                          0.5_wp,                             & ! basical airflow without occupancy of the room
374                                          1.5_wp,                             & ! additional airflow depend of occupancy of the room
375                                          0.5_wp,                             & ! building_type 2: basical airflow without occupancy
376                                                                                ! of the room
377                                          1.5_wp,                             & ! additional airflow depend of occupancy of the room
378                                          0.5_wp,                             & ! building_type 3: basical airflow without occupancy
379                                                                                ! of the room
380                                          1.5_wp,                             & ! additional airflow depend of occupancy of the room
381                                          1.0_wp,                             & ! building_type 4: basical airflow without occupancy
382                                                                                ! of the room
383                                          1.0_wp,                             & ! additional airflow depend of occupancy of the room
384                                          1.0_wp,                             & ! building_type 5: basical airflow without occupancy
385                                                                                ! of the room
386                                          1.0_wp,                             & ! additional airflow depend of occupancy of the room
387                                          1.0_wp,                             & ! building_type 6: basical airflow without occupancy
388                                                                                ! of the room
389                                          1.0_wp,                             & ! additional airflow depend of occupancy of the room
390                                          1.0_wp,                             & ! building_type 7: basical airflow without occupancy
391                                                                                ! of the room
392                                          1.0_wp                              & ! additional airflow depend of occupancy of the room
393                                                           /), (/ 2, 7 /) )
394
395    REAL(wp), DIMENSION(0:1,1:7) ::  winter_pars = RESHAPE( (/                & ! building_type 1
396                                          0.5_wp,                             & ! basical airflow without occupancy of the room
397                                          0.0_wp,                             & ! additional airflow depend of occupancy of the room
398                                          0.5_wp,                             & ! building_type 2: basical airflow without occupancy
399                                                                                ! of the room
400                                          0.0_wp,                             & ! additional airflow depend of occupancy of the room
401                                          0.5_wp,                             & ! building_type 3: basical airflow without occupancy
402                                                                                ! of the room
403                                          0.0_wp,                             & ! additional airflow depend of occupancy of the room
404                                          0.2_wp,                             & ! building_type 4: basical airflow without occupancy
405                                                                                ! of the room
406                                          0.8_wp,                             & ! additional airflow depend of occupancy of the room
407                                          0.2_wp,                             & ! building_type 5: basical airflow without occupancy
408                                                                                ! of the room
409                                          0.8_wp,                             & ! additional airflow depend of occupancy of the room
410                                          0.2_wp,                             & ! building_type 6: basical airflow without occupancy
411                                                                                ! of the room
412                                          0.8_wp,                             & ! additional airflow depend of occupancy of the room
413                                          0.2_wp,                             & ! building_type 7: basical airflow without occupancy
414                                                                                ! of the room
415                                          0.8_wp                              & ! additional airflow depend of occupancy of the room
416                                                           /), (/ 2, 7 /) )
417
418    SAVE
419
420
421    PRIVATE
422
423!
424!-- Add INTERFACES that must be available to other modules
425    PUBLIC im_init, im_main_heatcool, im_parin, im_define_netcdf_grid, im_check_data_output,       &
426           im_data_output_3d, im_check_parameters
427
428
429!
430!-- Add VARIABLES that must be available to other modules
431    PUBLIC dt_indoor,                                                                              &
432           indoor_during_spinup,                                                                   &
433           skip_time_do_indoor,                                                                    &
434           time_indoor
435
436!
437!-- PALM interfaces:
438!-- Data output checks for 2D/3D data to be done in check_parameters
439     INTERFACE im_check_data_output
440        MODULE PROCEDURE im_check_data_output
441     END INTERFACE im_check_data_output
442!
443!-- Input parameter checks to be done in check_parameters
444     INTERFACE im_check_parameters
445        MODULE PROCEDURE im_check_parameters
446     END INTERFACE im_check_parameters
447!
448!-- Data output of 3D data
449     INTERFACE im_data_output_3d
450        MODULE PROCEDURE im_data_output_3d
451     END INTERFACE im_data_output_3d
452
453!
454!-- Definition of data output quantities
455     INTERFACE im_define_netcdf_grid
456        MODULE PROCEDURE im_define_netcdf_grid
457     END INTERFACE im_define_netcdf_grid
458!
459! !
460! !-- Output of information to the header file
461!     INTERFACE im_header
462!        MODULE PROCEDURE im_header
463!     END INTERFACE im_header
464!
465!-- Calculations for indoor temperatures
466    INTERFACE im_calc_temperatures
467       MODULE PROCEDURE im_calc_temperatures
468    END INTERFACE im_calc_temperatures
469!
470!-- Initialization actions
471    INTERFACE im_init
472       MODULE PROCEDURE im_init
473    END INTERFACE im_init
474!
475!-- Main part of indoor model
476    INTERFACE im_main_heatcool
477       MODULE PROCEDURE im_main_heatcool
478    END INTERFACE im_main_heatcool
479!
480!-- Reading of NAMELIST parameters
481    INTERFACE im_parin
482       MODULE PROCEDURE im_parin
483    END INTERFACE im_parin
484
485 CONTAINS
486
487!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
488! Description:
489! ------------
490!< Calculation of the air temperatures and mean radiation temperature.
491!< This is basis for the operative temperature.
492!< Based on a Crank-Nicholson scheme with a timestep of a hour.
493!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
494 SUBROUTINE im_calc_temperatures ( i, j, k, indoor_wall_temperature,  &
495                                   near_facade_temperature, phi_hc_nd_dummy, theta_m_t_prev )
496
497    INTEGER(iwp) ::  i
498    INTEGER(iwp) ::  j
499    INTEGER(iwp) ::  k
500
501    REAL(wp) ::  indoor_wall_temperature   !< temperature of innermost wall layer evtl in im_calc_temperatures einfÃŒgen
502    REAL(wp) ::  near_facade_temperature
503    REAL(wp) ::  phi_hc_nd_dummy
504    REAL(wp), INTENT(IN) :: theta_m_t_prev
505!
506!-- Calculation of total mass specific thermal load (internal and external)
507    phi_mtot = ( phi_m + h_t_wm * indoor_wall_temperature                                   &
508                       + h_t_3  * ( phi_st + h_t_es * pt(k,j,i)                                    &
509                                            + h_t_1 *                                              &
510                                    ( ( ( phi_ia + phi_hc_nd_dummy ) / h_v )                       &
511                                                 + near_facade_temperature )                       &
512                                  ) / h_t_2                                                        &
513               )                                                                !< [degree_C] Eq. (C.5)
514!
515!-- Calculation of component temperature at current timestep
516    theta_m_t = ( ( theta_m_t_prev                                                                 &
517                    * ( ( c_m / 3600.0_wp ) - 0.5_wp * ( h_t_3 + h_t_wm ) )                        &
518                     + phi_mtot                                                                    &
519                  )                                                                                &
520                  /   ( ( c_m / 3600.0_wp ) + 0.5_wp * ( h_t_3 + h_t_wm ) )                        &
521                )                                                               !< [degree_C] Eq. (C.4)
522!
523!-- Calculation of mean inner temperature for the RC-node in current timestep
524    theta_m = ( theta_m_t + theta_m_t_prev ) * 0.5_wp                           !< [degree_C] Eq. (C.9)
525
526!
527!-- Calculation of mean surface temperature of the RC-node in current timestep
528    theta_s = ( (   h_t_ms * theta_m + phi_st + h_t_es * pt(k,j,i)                                 &
529                  + h_t_1  * ( near_facade_temperature                                             &
530                           + ( phi_ia + phi_hc_nd_dummy ) / h_v )                                  &
531                )                                                                                  &
532                / ( h_t_ms + h_t_es + h_t_1 )                                                      &
533              )                                                                 !< [degree_C] Eq. (C.10)
534
535!
536!-- Calculation of the air temperature of the RC-node
537
538
539    theta_air = ( h_t_is * theta_s + h_v * near_facade_temperature + phi_ia + phi_hc_nd_dummy ) /  &
540                ( h_t_is + h_v )                                                !< [degree_C] Eq. (C.11)
541
542
543 END SUBROUTINE im_calc_temperatures
544
545
546!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
547! Description:
548! ------------
549!> Initialization of the indoor model.
550!> Static information are calculated here, e.g. building parameters and geometrical information,
551!> anything that doesn't change in time.
552!
553!-- Input values
554!-- Input datas from Palm, M4
555!     i_global             -->  net_sw_in                         !< global radiation [W/m2]
556!     theta_e              -->  pt(k,j,i)                         !< undisturbed outside temperature, 1. PALM volume, for windows
557!     theta_sup = theta_f  -->  surf_usm_h%pt_10cm(m)
558!                               surf_usm_v(l)%pt_10cm(m)          !< Air temperature, facade near (10cm) air temperature from
559                                                                  !< 1. Palm volume
560!     theta_node           -->  t_wall_h(nzt_wall,m)
561!                               t_wall_v(l)%t(nzt_wall,m)         !< Temperature of innermost wall layer, for opaque wall
562!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
563 SUBROUTINE im_init
564
565    USE control_parameters,                                                                        &
566        ONLY:  message_string, time_since_reference_point
567
568    USE indices,                                                                                   &
569        ONLY:  nxl, nxr, nyn, nys, nzb, nzt, wall_flags_total_0
570
571    USE grid_variables,                                                                            &
572        ONLY:  dx, dy
573
574    USE pegrid
575
576    USE surface_mod,                                                                               &
577        ONLY:  surf_usm_h, surf_usm_v
578
579    USE urban_surface_mod,                                                                         &
580        ONLY:  building_pars, building_type
581
582    INTEGER(iwp) ::  bt          !< local building type
583    INTEGER(iwp) ::  day_of_year !< day of the year
584    INTEGER(iwp) ::  i           !< running index along x-direction
585    INTEGER(iwp) ::  j           !< running index along y-direction
586    INTEGER(iwp) ::  k           !< running index along z-direction
587    INTEGER(iwp) ::  l           !< running index for surface-element orientation
588    INTEGER(iwp) ::  m           !< running index surface elements
589    INTEGER(iwp) ::  n           !< building index
590    INTEGER(iwp) ::  nb          !< building index
591
592    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  build_ids           !< building IDs on entire model domain
593    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  build_ids_final     !< building IDs on entire model domain,
594                                                                    !< multiple occurences are sorted out
595    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  build_ids_final_tmp !< temporary array used for resizing
596    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  build_ids_l         !< building IDs on local subdomain
597    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  build_ids_l_tmp     !< temporary array used to resize array of building IDs
598    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  displace_dum        !< displacements of start addresses, used for MPI_ALLGATHERV
599    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  k_max_l             !< highest vertical index of a building on subdomain
600    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  k_min_l             !< lowest vertical index of a building on subdomain
601    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  n_fa                !< counting array
602    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  num_facades_h       !< dummy array used for summing-up total number of
603                                                                    !< horizontal facade elements
604    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  num_facades_v       !< dummy array used for summing-up total number of
605                                                                    !< vertical facade elements
606    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  receive_dum_h       !< dummy array used for MPI_ALLREDUCE
607    INTEGER(iwp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  receive_dum_v       !< dummy array used for MPI_ALLREDUCE
608
609    INTEGER(iwp), DIMENSION(0:numprocs-1) ::  num_buildings         !< number of buildings with different ID on entire model domain
610    INTEGER(iwp), DIMENSION(0:numprocs-1) ::  num_buildings_l       !< number of buildings with different ID on local subdomain
611
612    REAL(wp) ::  u_tmp                                     !< dummy for temporary calculation of u-value without h_is
613    REAL(wp) ::  du_tmp                                    !< 1/u_tmp
614    REAL(wp) ::  du_win_tmp                                !< 1/building(nb)%u_value_win
615    REAL(wp) ::  facade_area_v                             !< dummy to compute the total facade area from vertical walls
616
617    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  volume         !< total building volume at each discrete height level
618    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  volume_l       !< total building volume at each discrete height level,
619                                                           !< on local subdomain
620
621    CALL location_message( 'initializing indoor model', 'start' )
622!
623!-- Initializing of indoor model is only possible if buildings can be distinguished by their IDs.
624    IF ( .NOT. building_id_f%from_file )  THEN
625       message_string = 'Indoor model requires information about building_id'
626       CALL message( 'im_init', 'PA0999', 1, 2, 0, 6, 0  )
627    ENDIF
628!
629!-- Determine number of different building IDs on local subdomain.
630    num_buildings_l = 0
631    num_buildings   = 0
632    ALLOCATE( build_ids_l(1) )
633    DO  i = nxl, nxr
634       DO  j = nys, nyn
635          IF ( building_id_f%var(j,i) /= building_id_f%fill )  THEN
636             IF ( num_buildings_l(myid) > 0 )  THEN
637                IF ( ANY( building_id_f%var(j,i) == build_ids_l ) )  THEN
638                   CYCLE
639                ELSE
640                   num_buildings_l(myid) = num_buildings_l(myid) + 1
641!
642!--                Resize array with different local building ids
643                   ALLOCATE( build_ids_l_tmp(1:SIZE(build_ids_l)) )
644                   build_ids_l_tmp = build_ids_l
645                   DEALLOCATE( build_ids_l )
646                   ALLOCATE( build_ids_l(1:num_buildings_l(myid)) )
647                   build_ids_l(1:num_buildings_l(myid)-1) =                                        &
648                                                          build_ids_l_tmp(1:num_buildings_l(myid)-1)
649                   build_ids_l(num_buildings_l(myid)) = building_id_f%var(j,i)
650                   DEALLOCATE( build_ids_l_tmp )
651                ENDIF
652!
653!--          First occuring building id on PE
654             ELSE
655                num_buildings_l(myid) = num_buildings_l(myid) + 1
656                build_ids_l(1) = building_id_f%var(j,i)
657             ENDIF
658          ENDIF
659       ENDDO
660    ENDDO
661!
662!-- Determine number of building IDs for the entire domain. (Note, building IDs can appear multiple
663!-- times as buildings might be distributed over several PEs.)
664#if defined( __parallel )
665    CALL MPI_ALLREDUCE( num_buildings_l, num_buildings, numprocs, MPI_INTEGER, MPI_SUM, comm2d,    &
666                        ierr )
667#else
668    num_buildings = num_buildings_l
669#endif
670    ALLOCATE( build_ids(1:SUM(num_buildings)) )
671!
672!-- Gather building IDs. Therefore, first, determine displacements used required for MPI_GATHERV
673!-- call.
674    ALLOCATE( displace_dum(0:numprocs-1) )
675    displace_dum(0) = 0
676    DO i = 1, numprocs-1
677       displace_dum(i) = displace_dum(i-1) + num_buildings(i-1)
678    ENDDO
679
680#if defined( __parallel )
681    CALL MPI_ALLGATHERV( build_ids_l(1:num_buildings_l(myid)),                                     &
682                         num_buildings(myid),                                                      &
683                         MPI_INTEGER,                                                              &
684                         build_ids,                                                                &
685                         num_buildings,                                                            &
686                         displace_dum,                                                             &
687                         MPI_INTEGER,                                                              &
688                         comm2d, ierr )
689
690    DEALLOCATE( displace_dum )
691
692#else
693    build_ids = build_ids_l
694#endif
695!
696!-- Note: in parallel mode, building IDs can occur mutliple times, as each PE has send its own ids.
697!-- Therefore, sort out building IDs which appear multiple times.
698    num_build = 0
699    DO  n = 1, SIZE(build_ids)
700
701       IF ( ALLOCATED(build_ids_final) )  THEN
702          IF ( ANY( build_ids(n) == build_ids_final ) )  THEN
703             CYCLE
704          ELSE
705             num_build = num_build + 1
706!
707!--          Resize
708             ALLOCATE( build_ids_final_tmp(1:num_build) )
709             build_ids_final_tmp(1:num_build-1) = build_ids_final(1:num_build-1)
710             DEALLOCATE( build_ids_final )
711             ALLOCATE( build_ids_final(1:num_build) )
712             build_ids_final(1:num_build-1) = build_ids_final_tmp(1:num_build-1)
713             build_ids_final(num_build) = build_ids(n)
714             DEALLOCATE( build_ids_final_tmp )
715          ENDIF
716       ELSE
717          num_build = num_build + 1
718          ALLOCATE( build_ids_final(1:num_build) )
719          build_ids_final(num_build) = build_ids(n)
720       ENDIF
721    ENDDO
722
723!
724!-- Allocate building-data structure array. Note, this is a global array and all building IDs on
725!-- domain are known by each PE. Further attributes, e.g. height-dependent arrays, however, are only
726!-- allocated on PEs where  the respective building is present (in order to reduce memory demands).
727    ALLOCATE( buildings(1:num_build) )
728
729!
730!-- Store building IDs and check if building with certain ID is present on subdomain.
731    DO  nb = 1, num_build
732       buildings(nb)%id = build_ids_final(nb)
733
734       IF ( ANY( building_id_f%var(nys:nyn,nxl:nxr) == buildings(nb)%id ) )                        &
735          buildings(nb)%on_pe = .TRUE.
736    ENDDO
737!
738!-- Determine the maximum vertical dimension occupied by each building.
739    ALLOCATE( k_min_l(1:num_build) )
740    ALLOCATE( k_max_l(1:num_build) )
741    k_min_l = nzt + 1
742    k_max_l = 0
743
744    DO  i = nxl, nxr
745       DO  j = nys, nyn
746          IF ( building_id_f%var(j,i) /= building_id_f%fill )  THEN
747             nb = MINLOC( ABS( buildings(:)%id - building_id_f%var(j,i) ), DIM=1 )
748             DO  k = nzb, nzt+1
749!
750!--             Check if grid point belongs to a building.
751                IF ( BTEST( wall_flags_total_0(k,j,i), 6 ) )  THEN
752                   k_min_l(nb) = MIN( k_min_l(nb), k )
753                   k_max_l(nb) = MAX( k_max_l(nb), k )
754                ENDIF
755
756             ENDDO
757          ENDIF
758       ENDDO
759    ENDDO
760
761#if defined( __parallel )
762    CALL MPI_ALLREDUCE( k_min_l(:), buildings(:)%kb_min, num_build, MPI_INTEGER, MPI_MIN, comm2d,  &
763                        ierr )
764    CALL MPI_ALLREDUCE( k_max_l(:), buildings(:)%kb_max, num_build, MPI_INTEGER, MPI_MAX, comm2d,  &
765                        ierr )
766#else
767    buildings(:)%kb_min = k_min_l(:)
768    buildings(:)%kb_max = k_max_l(:)
769#endif
770
771    DEALLOCATE( k_min_l )
772    DEALLOCATE( k_max_l )
773!
774!-- Calculate building height.
775    DO  nb = 1, num_build
776       buildings(nb)%building_height = 0.0_wp
777       DO  k = buildings(nb)%kb_min, buildings(nb)%kb_max
778          buildings(nb)%building_height = buildings(nb)%building_height + dzw(k+1)
779       ENDDO
780    ENDDO
781!
782!-- Calculate building volume
783    DO  nb = 1, num_build
784!
785!--    Allocate temporary array for summing-up building volume
786       ALLOCATE( volume(buildings(nb)%kb_min:buildings(nb)%kb_max)   )
787       ALLOCATE( volume_l(buildings(nb)%kb_min:buildings(nb)%kb_max) )
788       volume   = 0.0_wp
789       volume_l = 0.0_wp
790!
791!--    Calculate building volume per height level on each PE where these building is present.
792       IF ( buildings(nb)%on_pe )  THEN
793
794          ALLOCATE( buildings(nb)%volume(buildings(nb)%kb_min:buildings(nb)%kb_max)   )
795          ALLOCATE( buildings(nb)%vol_frac(buildings(nb)%kb_min:buildings(nb)%kb_max) )
796          buildings(nb)%volume   = 0.0_wp
797          buildings(nb)%vol_frac = 0.0_wp
798
799          IF ( ANY( building_id_f%var(nys:nyn,nxl:nxr) == buildings(nb)%id ) )  THEN
800             DO  i = nxl, nxr
801                DO  j = nys, nyn
802                   DO  k = buildings(nb)%kb_min, buildings(nb)%kb_max
803                      IF ( building_id_f%var(j,i) /= building_id_f%fill )                          &
804                         volume_l(k) = volume_l(k) + dx * dy * dzw(k+1)
805                   ENDDO
806                ENDDO
807             ENDDO
808          ENDIF
809       ENDIF
810!
811!--    Sum-up building volume from all subdomains
812#if defined( __parallel )
813       CALL MPI_ALLREDUCE( volume_l, volume, SIZE(volume), MPI_REAL, MPI_SUM, comm2d, ierr )
814#else
815       volume = volume_l
816#endif
817!
818!--    Save total building volume as well as local fraction on volume on building data structure.
819       IF ( ALLOCATED( buildings(nb)%volume ) )  buildings(nb)%volume = volume
820!
821!--    Determine fraction of local on total building volume
822       IF ( buildings(nb)%on_pe )  buildings(nb)%vol_frac = volume_l / volume
823!
824!--    Calculate total building volume
825       IF ( ALLOCATED( buildings(nb)%volume ) )  buildings(nb)%vol_tot = SUM( buildings(nb)%volume )
826
827       DEALLOCATE( volume   )
828       DEALLOCATE( volume_l )
829
830    ENDDO
831!
832!-- Allocate arrays for indoor temperature.
833    DO  nb = 1, num_build
834       IF ( buildings(nb)%on_pe )  THEN
835          ALLOCATE( buildings(nb)%t_in(buildings(nb)%kb_min:buildings(nb)%kb_max)   )
836          ALLOCATE( buildings(nb)%t_in_l(buildings(nb)%kb_min:buildings(nb)%kb_max) )
837          buildings(nb)%t_in   = 0.0_wp
838          buildings(nb)%t_in_l = 0.0_wp
839       ENDIF
840    ENDDO
841!
842!-- Allocate arrays for number of facades per height level. Distinguish between horizontal and
843!-- vertical facades.
844    DO  nb = 1, num_build
845       IF ( buildings(nb)%on_pe )  THEN
846          ALLOCATE( buildings(nb)%num_facade_h(buildings(nb)%kb_min:buildings(nb)%kb_max) )
847          ALLOCATE( buildings(nb)%num_facade_v(buildings(nb)%kb_min:buildings(nb)%kb_max) )
848
849          buildings(nb)%num_facade_h = 0
850          buildings(nb)%num_facade_v = 0
851       ENDIF
852    ENDDO
853!
854!-- Determine number of facade elements per building on local subdomain.
855!-- Distinguish between horizontal and vertical facade elements.
856!
857!-- Horizontal facades
858    buildings(:)%num_facades_per_building_h_l = 0
859    DO  l = 0, 1
860       DO  m = 1, surf_usm_h(l)%ns
861!
862!--       For the current facade element determine corresponding building index.
863!--       First, obtain j,j,k indices of the building. Please note the offset between facade/surface
864!--       element and building location (for horizontal surface elements the horizontal offsets are
865!--       zero).
866          i = surf_usm_h(l)%i(m) + surf_usm_h(l)%ioff
867          j = surf_usm_h(l)%j(m) + surf_usm_h(l)%joff
868          k = surf_usm_h(l)%k(m) + surf_usm_h(l)%koff
869!
870!--       Determine building index and check whether building is on PE.
871          nb = MINLOC( ABS( buildings(:)%id - building_id_f%var(j,i) ), DIM=1 )
872
873          IF ( buildings(nb)%on_pe )  THEN
874!
875!--          Count number of facade elements at each height level.
876             buildings(nb)%num_facade_h(k) = buildings(nb)%num_facade_h(k) + 1
877!
878!--          Moreover, sum up number of local facade elements per building.
879             buildings(nb)%num_facades_per_building_h_l =                                             &
880                                                      buildings(nb)%num_facades_per_building_h_l + 1
881          ENDIF
882       ENDDO
883    ENDDO
884!
885!-- Vertical facades
886    buildings(:)%num_facades_per_building_v_l = 0
887    DO  l = 0, 3
888       DO  m = 1, surf_usm_v(l)%ns
889!
890!--       For the current facade element determine corresponding building index.
891!--       First, obtain j,j,k indices of the building. Please note the offset between facade/surface
892!--       element and building location (for vertical surface elements the vertical offsets are
893!--       zero).
894          i = surf_usm_v(l)%i(m) + surf_usm_v(l)%ioff
895          j = surf_usm_v(l)%j(m) + surf_usm_v(l)%joff
896          k = surf_usm_v(l)%k(m) + surf_usm_v(l)%koff
897
898          nb = MINLOC( ABS( buildings(:)%id - building_id_f%var(j,i) ), DIM=1 )
899          IF ( buildings(nb)%on_pe )  THEN
900             buildings(nb)%num_facade_v(k) = buildings(nb)%num_facade_v(k) + 1
901             buildings(nb)%num_facades_per_building_v_l =                                          &
902                                                      buildings(nb)%num_facades_per_building_v_l + 1
903          ENDIF
904       ENDDO
905    ENDDO
906!
907!-- Determine total number of facade elements per building and assign number to building data type.
908    DO  nb = 1, num_build
909!
910!--    Allocate dummy array used for summing-up facade elements.
911!--    Please note, dummy arguments are necessary as building-date type arrays are not necessarily
912!--    allocated on all PEs.
913       ALLOCATE( num_facades_h(buildings(nb)%kb_min:buildings(nb)%kb_max) )
914       ALLOCATE( num_facades_v(buildings(nb)%kb_min:buildings(nb)%kb_max) )
915       ALLOCATE( receive_dum_h(buildings(nb)%kb_min:buildings(nb)%kb_max) )
916       ALLOCATE( receive_dum_v(buildings(nb)%kb_min:buildings(nb)%kb_max) )
917       num_facades_h = 0
918       num_facades_v = 0
919       receive_dum_h = 0
920       receive_dum_v = 0
921
922       IF ( buildings(nb)%on_pe )  THEN
923          num_facades_h = buildings(nb)%num_facade_h
924          num_facades_v = buildings(nb)%num_facade_v
925       ENDIF
926
927#if defined( __parallel )
928       CALL MPI_ALLREDUCE( num_facades_h,                                                          &
929                           receive_dum_h,                                                          &
930                           buildings(nb)%kb_max - buildings(nb)%kb_min + 1,                        &
931                           MPI_INTEGER,                                                            &
932                           MPI_SUM,                                                                &
933                           comm2d,                                                                 &
934                           ierr )
935
936       CALL MPI_ALLREDUCE( num_facades_v,                                                          &
937                           receive_dum_v,                                                          &
938                           buildings(nb)%kb_max - buildings(nb)%kb_min + 1,                        &
939                           MPI_INTEGER,                                                            &
940                           MPI_SUM,                                                                &
941                           comm2d,                                                                 &
942                           ierr )
943       IF ( ALLOCATED( buildings(nb)%num_facade_h ) )  buildings(nb)%num_facade_h = receive_dum_h
944       IF ( ALLOCATED( buildings(nb)%num_facade_v ) )  buildings(nb)%num_facade_v = receive_dum_v
945#else
946       buildings(nb)%num_facade_h = num_facades_h
947       buildings(nb)%num_facade_v = num_facades_v
948#endif
949
950!
951!--    Deallocate dummy arrays
952       DEALLOCATE( num_facades_h )
953       DEALLOCATE( num_facades_v )
954       DEALLOCATE( receive_dum_h )
955       DEALLOCATE( receive_dum_v )
956!
957!--    Allocate index arrays which link facade elements with surface-data type.
958!--    Please note, no height levels are considered here (information is stored in surface-data type
959!--    itself).
960       IF ( buildings(nb)%on_pe )  THEN
961!
962!--       Determine number of facade elements per building.
963          buildings(nb)%num_facades_per_building_h = SUM( buildings(nb)%num_facade_h )
964          buildings(nb)%num_facades_per_building_v = SUM( buildings(nb)%num_facade_v )
965!
966!--       Allocate arrays which link the building with the horizontal and vertical urban-type
967!--       surfaces. Please note, linking arrays are allocated over all facade elements, which is
968!--       required in case a building is located at the subdomain boundaries, where the building and
969!--       the corresponding surface elements are located on different subdomains.
970          ALLOCATE( buildings(nb)%l_h(1:buildings(nb)%num_facades_per_building_h_l) )
971          ALLOCATE( buildings(nb)%m_h(1:buildings(nb)%num_facades_per_building_h_l) )
972
973          ALLOCATE( buildings(nb)%l_v(1:buildings(nb)%num_facades_per_building_v_l) )
974          ALLOCATE( buildings(nb)%m_v(1:buildings(nb)%num_facades_per_building_v_l) )
975
976          ALLOCATE( buildings(nb)%theta_m_t_prev_h(1:buildings(nb)%num_facades_per_building_h_l) )
977          ALLOCATE( buildings(nb)%theta_m_t_prev_v(1:buildings(nb)%num_facades_per_building_v_l) )
978       ENDIF
979
980       IF ( buildings(nb)%on_pe )  THEN
981          ALLOCATE( buildings(nb)%vpf(buildings(nb)%kb_min:buildings(nb)%kb_max) )
982          buildings(nb)%vpf = 0.0_wp
983
984          facade_area_v = 0.0_wp
985          DO  k = buildings(nb)%kb_min, buildings(nb)%kb_max
986             facade_area_v = facade_area_v + buildings(nb)%num_facade_v(k) * dzw(k+1) * dx
987          ENDDO
988!
989!--       Determine volume per total facade area (vpf). For the horizontal facade area
990!--       num_facades_per_building_h can be taken, multiplied with dx*dy.
991!--       However, due to grid stretching, vertical facade elements must be summed-up vertically.
992!--       Please note, if dx /= dy, an error is made!
993          buildings(nb)%vpf = buildings(nb)%vol_tot /                                              &
994                              ( buildings(nb)%num_facades_per_building_h * dx * dy + facade_area_v )
995!
996!--       Determine floor-area-per-facade.
997          buildings(nb)%fapf = buildings(nb)%num_facades_per_building_h     * dx * dy              &
998                               / ( buildings(nb)%num_facades_per_building_h * dx * dy              &
999                                   + facade_area_v )
1000       ENDIF
1001    ENDDO
1002!
1003!-- Link facade elements with surface data type.
1004!-- Allocate array for counting.
1005    ALLOCATE( n_fa(1:num_build) )
1006    n_fa = 1
1007
1008    DO  l = 0, 1
1009       DO  m = 1, surf_usm_h(l)%ns
1010          i = surf_usm_h(l)%i(m) + surf_usm_h(l)%ioff
1011          j = surf_usm_h(l)%j(m) + surf_usm_h(l)%joff
1012
1013          nb = MINLOC( ABS( buildings(:)%id - building_id_f%var(j,i) ), DIM=1 )
1014
1015          IF ( buildings(nb)%on_pe )  THEN
1016             buildings(nb)%l_h(n_fa(nb)) = l
1017             buildings(nb)%m_h(n_fa(nb)) = m
1018             n_fa(nb) = n_fa(nb) + 1
1019          ENDIF
1020       ENDDO
1021    ENDDO
1022
1023    n_fa = 1
1024    DO  l = 0, 3
1025       DO  m = 1, surf_usm_v(l)%ns
1026          i = surf_usm_v(l)%i(m) + surf_usm_v(l)%ioff
1027          j = surf_usm_v(l)%j(m) + surf_usm_v(l)%joff
1028
1029          nb = MINLOC( ABS( buildings(:)%id - building_id_f%var(j,i) ), DIM=1 )
1030
1031          IF ( buildings(nb)%on_pe )  THEN
1032             buildings(nb)%l_v(n_fa(nb)) = l
1033             buildings(nb)%m_v(n_fa(nb)) = m
1034             n_fa(nb) = n_fa(nb) + 1
1035          ENDIF
1036       ENDDO
1037    ENDDO
1038    DEALLOCATE( n_fa )
1039!
1040!-- Initialize building parameters, first by mean building type. Note, in this case all buildings
1041!-- have the same type.
1042!-- In a second step initialize with building tpyes from static input file, where building types can
1043!-- be individual for each building.
1044    buildings(:)%lambda_layer3       = building_pars(31,building_type)
1045    buildings(:)%s_layer3            = building_pars(44,building_type)
1046    buildings(:)%f_c_win             = building_pars(119,building_type)
1047    buildings(:)%g_value_win         = building_pars(120,building_type)
1048    buildings(:)%u_value_win         = building_pars(121,building_type)
1049    buildings(:)%eta_ve              = building_pars(124,building_type)
1050    buildings(:)%factor_a            = building_pars(125,building_type)
1051    buildings(:)%factor_c            = building_pars(126,building_type)
1052    buildings(:)%lambda_at           = building_pars(127,building_type)
1053    buildings(:)%theta_int_h_set     = building_pars(13,building_type)
1054    buildings(:)%theta_int_c_set     = building_pars(12,building_type)
1055    buildings(:)%q_h_max             = building_pars(128,building_type)
1056    buildings(:)%q_c_max             = building_pars(129,building_type)
1057    buildings(:)%qint_high           = building_pars(130,building_type)
1058    buildings(:)%qint_low            = building_pars(131,building_type)
1059    buildings(:)%height_storey       = building_pars(132,building_type)
1060    buildings(:)%height_cei_con      = building_pars(133,building_type)
1061    buildings(:)%params_waste_heat_h = building_pars(134,building_type)
1062    buildings(:)%params_waste_heat_c = building_pars(135,building_type)
1063!
1064!-- Initialize seasonal dependent parameters, depending on day of the year.
1065!-- First, calculated day of the year.
1066    CALL get_date_time( time_since_reference_point, day_of_year = day_of_year )
1067!
1068!-- Summer is defined in between northward- and southward equinox.
1069    IF ( day_of_year >= northward_equinox  .AND.  day_of_year <= southward_equinox )  THEN
1070       buildings(:)%air_change_low      = summer_pars(0,building_type)
1071       buildings(:)%air_change_high     = summer_pars(1,building_type)
1072    ELSE
1073       buildings(:)%air_change_low      = winter_pars(0,building_type)
1074       buildings(:)%air_change_high     = winter_pars(1,building_type)
1075    ENDIF
1076!
1077!-- Initialize ventilation load. Please note, building types > 7 are actually not allowed (check
1078!-- already in urban_surface_mod and netcdf_data_input_mod.
1079!-- However, the building data base may be later extended.
1080    IF ( building_type ==  1  .OR.  building_type ==  2  .OR.                                      &
1081         building_type ==  3  .OR.  building_type == 10  .OR.                                      &
1082         building_type == 11  .OR.  building_type == 12 )  THEN
1083       buildings(:)%ventilation_int_loads = 1
1084!
1085!-- Office, building with large windows
1086    ELSEIF ( building_type ==  4  .OR.  building_type ==  5  .OR.                                  &
1087             building_type ==  6  .OR.  building_type ==  7  .OR.                                  &
1088             building_type ==  8  .OR.  building_type ==  9)  THEN
1089       buildings(:)%ventilation_int_loads = 2
1090!
1091!-- Industry, hospitals
1092    ELSEIF ( building_type == 13  .OR.  building_type == 14  .OR.                                  &
1093             building_type == 15  .OR.  building_type == 16  .OR.                                  &
1094             building_type == 17  .OR.  building_type == 18 )  THEN
1095       buildings(:)%ventilation_int_loads = 3
1096    ENDIF
1097!
1098!-- Initialization of building parameters - level 2
1099    IF ( building_type_f%from_file )  THEN
1100       DO  i = nxl, nxr
1101          DO  j = nys, nyn
1102              IF ( building_id_f%var(j,i) /= building_id_f%fill )  THEN
1103                 nb = MINLOC( ABS( buildings(:)%id - building_id_f%var(j,i) ), DIM=1 )
1104                 bt = building_type_f%var(j,i)
1105
1106                 buildings(nb)%lambda_layer3       = building_pars(31,bt)
1107                 buildings(nb)%s_layer3            = building_pars(44,bt)
1108                 buildings(nb)%f_c_win             = building_pars(119,bt)
1109                 buildings(nb)%g_value_win         = building_pars(120,bt)
1110                 buildings(nb)%u_value_win         = building_pars(121,bt)
1111                 buildings(nb)%eta_ve              = building_pars(124,bt)
1112                 buildings(nb)%factor_a            = building_pars(125,bt)
1113                 buildings(nb)%factor_c            = building_pars(126,bt)
1114                 buildings(nb)%lambda_at           = building_pars(127,bt)
1115                 buildings(nb)%theta_int_h_set     = building_pars(13,bt)
1116                 buildings(nb)%theta_int_c_set     = building_pars(12,bt)
1117                 buildings(nb)%q_h_max             = building_pars(128,bt)
1118                 buildings(nb)%q_c_max             = building_pars(129,bt)
1119                 buildings(nb)%qint_high           = building_pars(130,bt)
1120                 buildings(nb)%qint_low            = building_pars(131,bt)
1121                 buildings(nb)%height_storey       = building_pars(132,bt)
1122                 buildings(nb)%height_cei_con      = building_pars(133,bt)
1123                 buildings(nb)%params_waste_heat_h = building_pars(134,bt)
1124                 buildings(nb)%params_waste_heat_c = building_pars(135,bt)
1125
1126              IF ( day_of_year >= northward_equinox  .AND.  day_of_year <= southward_equinox )  THEN
1127                 buildings(nb)%air_change_low      = summer_pars(0,bt)
1128                 buildings(nb)%air_change_high     = summer_pars(1,bt)
1129              ELSE
1130                 buildings(nb)%air_change_low      = winter_pars(0,bt)
1131                 buildings(nb)%air_change_high     = winter_pars(1,bt)
1132              ENDIF
1133
1134!
1135!--              Initialize ventilaation load. Please note, building types > 7
1136!--              are actually not allowed (check already in urban_surface_mod
1137!--              and netcdf_data_input_mod. However, the building data base may
1138!--              be later extended.
1139                 IF ( bt ==  1  .OR.  bt ==  2  .OR.                                               &
1140                      bt ==  3  .OR.  bt == 10  .OR.                                               &
1141                      bt == 11  .OR.  bt == 12 )  THEN
1142                    buildings(nb)%ventilation_int_loads = 1
1143!
1144!--              Office, building with large windows
1145                 ELSEIF ( bt ==  4  .OR.  bt ==  5  .OR.                                           &
1146                          bt ==  6  .OR.  bt ==  7  .OR.                                           &
1147                          bt ==  8  .OR.  bt ==  9)  THEN
1148                    buildings(nb)%ventilation_int_loads = 2
1149!
1150!--              Industry, hospitals
1151                 ELSEIF ( bt == 13  .OR.  bt == 14  .OR.                                           &
1152                          bt == 15  .OR.  bt == 16  .OR.                                           &
1153                          bt == 17  .OR.  bt == 18 )  THEN
1154                    buildings(nb)%ventilation_int_loads = 3
1155                 ENDIF
1156              ENDIF
1157           ENDDO
1158        ENDDO
1159    ENDIF
1160!
1161!-- Calculation of surface-related heat transfer coeffiecient out of standard u-values from building
1162!-- database.
1163!-- Only amount of extern and surface is used.
1164!-- Otherwise amount between air and surface taken account twice.
1165    DO nb = 1, num_build
1166       IF ( buildings(nb)%on_pe ) THEN
1167          du_win_tmp = 1.0_wp / buildings(nb)%u_value_win
1168          u_tmp = buildings(nb)%u_value_win * ( du_win_tmp / ( du_win_tmp -                        &
1169                  0.125_wp + ( 1.0_wp / h_is ) ) )
1170
1171          du_tmp = 1.0_wp / u_tmp
1172
1173          buildings(nb)%h_es = 1.0_wp / ( du_tmp - ( 1.0_wp / h_is ) )
1174
1175       ENDIF
1176    ENDDO
1177!
1178!-- Initialize indoor temperature. Actually only for output at initial state.
1179    DO  nb = 1, num_build
1180       IF ( buildings(nb)%on_pe )  THEN
1181          buildings(nb)%t_in(:) = initial_indoor_temperature
1182
1183!
1184!--       (after first loop, use theta_m_t as theta_m_t_prev)
1185          buildings(nb)%theta_m_t_prev_h(:) = initial_indoor_temperature
1186          buildings(nb)%theta_m_t_prev_v(:) = initial_indoor_temperature
1187
1188       ENDIF
1189    ENDDO
1190
1191    CALL location_message( 'initializing indoor model', 'finished' )
1192
1193 END SUBROUTINE im_init
1194
1195
1196!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1197! Description:
1198! ------------
1199!> Main part of the indoor model.
1200!> Calculation of .... (kanani: Please describe)
1201!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1202 SUBROUTINE im_main_heatcool
1203
1204!     USE basic_constants_and_equations_mod,                                     &
1205!         ONLY:  c_p
1206
1207    USE control_parameters,                                                                        &
1208        ONLY:  time_since_reference_point
1209
1210    USE grid_variables,                                                                            &
1211        ONLY:  dx, dy
1212
1213    USE pegrid
1214
1215    USE surface_mod,                                                                               &
1216        ONLY:  ind_pav_green,                                                                      &
1217               ind_veg_wall,                                                                       &
1218               ind_wat_win,                                                                        &
1219               surf_usm_h,                                                                         &
1220               surf_usm_v
1221
1222    USE urban_surface_mod,                                                                         &
1223        ONLY:  building_type,                                                                      &
1224               nzt_wall,                                                                           &
1225               t_green_h,                                                                          &
1226               t_green_v,                                                                          &
1227               t_wall_h,                                                                           &
1228               t_wall_v,                                                                           &
1229               t_window_h,                                                                         &
1230               t_window_v
1231
1232
1233    INTEGER(iwp) ::  fa   !< running index for facade elements of each building
1234    INTEGER(iwp) ::  i    !< index of facade-adjacent atmosphere grid point in x-direction
1235    INTEGER(iwp) ::  j    !< index of facade-adjacent atmosphere grid point in y-direction
1236    INTEGER(iwp) ::  k    !< index of facade-adjacent atmosphere grid point in z-direction
1237    INTEGER(iwp) ::  kk   !< vertical index of indoor grid point adjacent to facade
1238    INTEGER(iwp) ::  l    !< running index for surface-element orientation
1239    INTEGER(iwp) ::  m    !< running index surface elements
1240    INTEGER(iwp) ::  nb   !< running index for buildings
1241
1242    LOGICAL  ::  during_spinup                    !< flag indicating that the simulation is still in wall/soil spinup
1243
1244    REAL(wp) ::  frac_green                       !< dummy for green fraction
1245    REAL(wp) ::  frac_wall                        !< dummy for wall fraction
1246    REAL(wp) ::  frac_win                         !< dummy for window fraction
1247!     REAL(wp) ::  indoor_wall_window_temperature   !< weighted temperature of innermost wall/window layer
1248    REAL(wp) ::  indoor_wall_temperature          !< temperature of innermost wall layer evtl in im_calc_temperatures einfÃŒgen
1249    REAL(wp) ::  near_facade_temperature          !< outside air temperature 10cm away from facade
1250    REAL(wp) ::  second_of_day                    !< second of the current day
1251    REAL(wp) ::  time_utc_hour                    !< time of day (hour UTC)
1252
1253    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  t_in_l_send   !< dummy send buffer used for summing-up indoor temperature per kk-level
1254    REAL(wp), DIMENSION(:), ALLOCATABLE ::  t_in_recv     !< dummy recv buffer used for summing-up indoor temperature per kk-level
1255!
1256!-- Determine time of day in hours.
1257    CALL get_date_time( time_since_reference_point, second_of_day=second_of_day )
1258    time_utc_hour = second_of_day / seconds_per_hour
1259!
1260!-- Check if the simulation is still in wall/soil spinup mode
1261    during_spinup = MERGE( .TRUE., .FALSE., time_since_reference_point < 0.0_wp )
1262!
1263!-- Following calculations must be done for each facade element.
1264    DO  nb = 1, num_build
1265!
1266!--    First, check whether building is present on local subdomain.
1267       IF ( buildings(nb)%on_pe )  THEN
1268!
1269!--       Determine daily schedule. 08:00-18:00 = 1, other hours = 0.
1270!--       Residental Building, panel WBS 70
1271          IF ( buildings(nb)%ventilation_int_loads == 1 )  THEN
1272             IF ( time_utc_hour >= 8.0_wp  .AND.  time_utc_hour <= 18.0_wp )  THEN
1273                schedule_d = 0
1274             ELSE
1275                schedule_d = 1
1276             ENDIF
1277          ENDIF
1278!
1279!--       Office, building with large windows
1280          IF ( buildings(nb)%ventilation_int_loads == 2 )  THEN
1281             IF ( time_utc_hour >= 8.0_wp  .AND.  time_utc_hour <= 18.0_wp )  THEN
1282                schedule_d = 1
1283             ELSE
1284                schedule_d = 0
1285             ENDIF
1286          ENDIF
1287!
1288!--       Industry, hospitals
1289          IF ( buildings(nb)%ventilation_int_loads == 3 )  THEN
1290             IF ( time_utc_hour >= 6.0_wp  .AND.  time_utc_hour <= 22.0_wp )  THEN
1291                schedule_d = 1
1292             ELSE
1293                schedule_d = 0
1294             ENDIF
1295          ENDIF
1296!
1297!--       Initialize/reset indoor temperature
1298          buildings(nb)%t_in_l = 0.0_wp
1299!
1300!--       Horizontal surfaces
1301          DO  fa = 1, buildings(nb)%num_facades_per_building_h_l
1302!
1303!--          Determine indices where corresponding surface-type information is stored.
1304             l = buildings(nb)%l_h(fa)
1305             m = buildings(nb)%m_h(fa)
1306!
1307!--          During spinup set window fraction to zero and add these to wall fraction.
1308             frac_win   = MERGE( surf_usm_h(l)%frac(m,ind_wat_win), 0.0_wp, .NOT. during_spinup )
1309             frac_wall  = MERGE( surf_usm_h(l)%frac(m,ind_veg_wall),                               &
1310                                 surf_usm_h(l)%frac(m,ind_veg_wall) +                              &
1311                                 surf_usm_h(l)%frac(m,ind_wat_win),                                &
1312                                 .NOT. during_spinup )
1313             frac_green = surf_usm_h(l)%frac(m,ind_pav_green)
1314!
1315!--          Determine building height level index.
1316             kk = surf_usm_h(l)%k(m) + surf_usm_h(l)%koff
1317!
1318!--          Building geometries --> not time-dependent
1319             facade_element_area          = dx * dy                               !< [m2] surface area per facade element
1320             floor_area_per_facade        = buildings(nb)%fapf                    !< [m2/m2] floor area per facade area
1321             indoor_volume_per_facade     = buildings(nb)%vpf(kk)                 !< [m3/m2] indoor air volume per facade area
1322             buildings(nb)%area_facade    = facade_element_area *                                  &
1323                                            ( buildings(nb)%num_facades_per_building_h +           &
1324                                              buildings(nb)%num_facades_per_building_v ) !< [m2] area of total facade
1325             window_area_per_facade       = frac_win  * facade_element_area              !< [m2] window area per facade element
1326
1327             buildings(nb)%net_floor_area = buildings(nb)%vol_tot / ( buildings(nb)%height_storey )
1328             total_area                   = buildings(nb)%net_floor_area                            !< [m2] area of all surfaces
1329                                                                                                    !< pointing to zone  Eq. (9) according to section 7.2.2.2
1330             a_m                          = buildings(nb)%factor_a * total_area *                  &
1331                                            ( facade_element_area / buildings(nb)%area_facade ) *  &
1332                                            buildings(nb)%lambda_at                                 !< [m2] standard values
1333                                                                                                    !< according to Table 12 section 12.3.1.2  (calculate over Eq. (65) according to section 12.3.1.2)
1334             c_m                          = buildings(nb)%factor_c * total_area *                  &
1335                                            ( facade_element_area / buildings(nb)%area_facade )     !< [J/K] standard values
1336                                                                                                    !< according to table 12 section 12.3.1.2 (calculate over Eq. (66) according to section 12.3.1.2)
1337!
1338!--          Calculation of heat transfer coefficient for transmission --> not time-dependent
1339             h_t_es   = window_area_per_facade * buildings(nb)%h_es                                   !< [W/K] only for windows
1340
1341             h_t_is  = buildings(nb)%area_facade * h_is                                               !< [W/K] with h_is = 3.45 W /
1342                                                                                                      !< (m2 K) between surface and air, Eq. (9)
1343             h_t_ms  = a_m * h_ms                                                                     !< [W/K] with h_ms = 9.10 W /
1344                                                                                                      !< (m2 K) between component and surface, Eq. (64)
1345             h_t_wall  = 1.0_wp / ( 1.0_wp / ( ( facade_element_area - window_area_per_facade )    &  !< [W/K]
1346                                    * buildings(nb)%lambda_layer3 / buildings(nb)%s_layer3 * 0.5_wp &
1347                                             ) + 1.0_wp / h_t_ms )                                    !< [W/K] opaque components
1348             h_t_wm  = 1.0_wp / ( 1.0_wp / h_t_wall - 1.0_wp / h_t_ms )                               !< [W/K] emmision Eq. (63),
1349                                                                                                      !< Section 12.2.2
1350!
1351!--          Internal air loads dependent on the occupacy of the room.
1352!--          Basical internal heat gains (qint_low) with additional internal heat gains by occupancy (qint_high) (0,5*phi_int).
1353             phi_ia = 0.5_wp * ( ( buildings(nb)%qint_high * schedule_d + buildings(nb)%qint_low ) &
1354                              * floor_area_per_facade )
1355             q_int = phi_ia / total_area
1356!
1357!--          Airflow dependent on the occupacy of the room.
1358!--          Basical airflow (air_change_low) with additional airflow gains by occupancy (air_change_high)
1359             air_change = ( buildings(nb)%air_change_high * schedule_d + buildings(nb)%air_change_low )  !< [1/h]?
1360!
1361!--          Heat transfer of ventilation.
1362!--          Not less than 0.01 W/K to avoid division by 0 in further calculations with heat
1363!--          capacity of air 0.33 Wh/m2K.
1364             h_v   = MAX( 0.01_wp , ( air_change * indoor_volume_per_facade *                      &
1365                                      0.33_wp * (1.0_wp - buildings(nb)%eta_ve ) ) )    !< [W/K] from ISO 13789 Eq.(10)
1366
1367!--          Heat transfer coefficient auxiliary variables
1368             h_t_1 = 1.0_wp / ( ( 1.0_wp / h_v )   + ( 1.0_wp / h_t_is ) )  !< [W/K] Eq. (C.6)
1369             h_t_2 = h_t_1 + h_t_es                                         !< [W/K] Eq. (C.7)
1370             h_t_3 = 1.0_wp / ( ( 1.0_wp / h_t_2 ) + ( 1.0_wp / h_t_ms ) )  !< [W/K] Eq. (C.8)
1371!
1372!--          Net short-wave radiation through window area (was i_global)
1373             net_sw_in = surf_usm_h(l)%rad_sw_in(m) - surf_usm_h(l)%rad_sw_out(m)
1374!
1375!--          Quantities needed for im_calc_temperatures
1376             i = surf_usm_h(l)%i(m)
1377             j = surf_usm_h(l)%j(m)
1378             k = surf_usm_h(l)%k(m)
1379             near_facade_temperature = surf_usm_h(l)%pt_10cm(m)
1380!              indoor_wall_window_temperature = frac_wall  * t_wall_h(l)%val(nzt_wall,m)             &
1381!                                             + frac_win   * t_window_h(l)%val(nzt_wall,m)           &
1382!                                             + frac_green * t_green_h(l)%val(nzt_wall,m)
1383             indoor_wall_temperature = frac_wall  * t_wall_h(l)%val(nzt_wall,m)                    &
1384                                     + frac_win   * t_window_h(l)%val(nzt_wall,m)                  &
1385                                     + frac_green * t_green_h(l)%val(nzt_wall,m)
1386!
1387!--          Solar thermal gains. If net_sw_in larger than sun-protection threshold parameter
1388!--          (params_solar_protection), sun protection will be activated.
1389             IF ( net_sw_in <= params_solar_protection )  THEN
1390                solar_protection_off = 1
1391                solar_protection_on  = 0
1392             ELSE
1393                solar_protection_off = 0
1394                solar_protection_on  = 1
1395             ENDIF
1396!
1397!--          Calculation of total heat gains from net_sw_in through windows [W] in respect on
1398!--          automatic sun protection.
1399!--          DIN 4108 - 2 chap.8
1400             phi_sol = (   window_area_per_facade * net_sw_in * solar_protection_off               &
1401                         + window_area_per_facade * net_sw_in * buildings(nb)%f_c_win *            &
1402                           solar_protection_on )                                                   &
1403                       * buildings(nb)%g_value_win * ( 1.0_wp - params_f_f ) * params_f_w
1404             q_sol = phi_sol
1405!
1406!--          Calculation of the mass specific thermal load for internal and external heatsources of
1407!--          the inner node.
1408             phi_m   = (a_m / total_area) * ( phi_ia + phi_sol )                                    !< [W] Eq. (C.2) with
1409                                                                                                    !< phi_ia=0,5*phi_int
1410             q_c_m = phi_m
1411!
1412!--          Calculation mass specific thermal load implied non thermal mass
1413             phi_st  =   ( 1.0_wp - ( a_m / total_area ) - ( h_t_es / ( 9.1_wp * total_area ) ) )  &
1414                       * ( phi_ia + phi_sol )                                                       !< [W] Eq. (C.3) with
1415                                                                                                    !< phi_ia=0,5*phi_int
1416             q_c_st = phi_st
1417!
1418!--          Calculations for deriving indoor temperature and heat flux into the wall
1419!--          Step 1: indoor temperature without heating and cooling
1420!--          section C.4.1 Picture C.2 zone 3)
1421             phi_hc_nd = 0.0_wp
1422
1423             CALL  im_calc_temperatures ( i, j, k, indoor_wall_temperature, &
1424                                          near_facade_temperature, phi_hc_nd, buildings(nb)%theta_m_t_prev_h(fa) )
1425!
1426!--          If air temperature between border temperatures of heating and cooling, assign output
1427!--          variable, then ready.
1428             IF ( buildings(nb)%theta_int_h_set <= theta_air  .AND.                                &
1429                  theta_air <= buildings(nb)%theta_int_c_set )  THEN
1430                phi_hc_nd_ac = 0.0_wp
1431                phi_hc_nd    = phi_hc_nd_ac
1432                theta_air_ac = theta_air
1433!
1434!--          Step 2: Else, apply 10 W/m2 heating/cooling power and calculate indoor temperature
1435!--          again.
1436             ELSE
1437!
1438!--             Temperature not correct, calculation method according to section C4.2
1439                theta_air_0 = theta_air                                                  !< temperature without heating/cooling
1440!
1441!--             Heating or cooling?
1442                IF ( theta_air_0 > buildings(nb)%theta_int_c_set )  THEN
1443                   theta_air_set = buildings(nb)%theta_int_c_set
1444                ELSE
1445                   theta_air_set = buildings(nb)%theta_int_h_set
1446                ENDIF
1447!
1448!--             Calculate the temperature with phi_hc_nd_10
1449                phi_hc_nd_10 = 10.0_wp * floor_area_per_facade
1450                phi_hc_nd    = phi_hc_nd_10
1451
1452                CALL  im_calc_temperatures ( i, j, k, indoor_wall_temperature, &
1453                                             near_facade_temperature, phi_hc_nd, buildings(nb)%theta_m_t_prev_h(fa) )
1454                theta_air_10 = theta_air                                                !< temperature with 10 W/m2 of heating
1455!
1456!--             Avoid division by zero at first timestep where the denominator can become zero.
1457                IF ( ABS( theta_air_10  - theta_air_0 ) < 1E-10_wp )  THEN
1458                   phi_hc_nd_un = phi_hc_nd_10
1459                ELSE
1460                   phi_hc_nd_un = phi_hc_nd_10 * ( theta_air_set - theta_air_0 )                   &
1461                                               / ( theta_air_10  - theta_air_0 )             !< Eq. (C.13)
1462                ENDIF
1463!
1464!--             Step 3: with temperature ratio to determine the heating or cooling capacity.
1465!--             If necessary, limit the power to maximum power.
1466!--             section C.4.1 Picture C.2 zone 2) and 4)
1467                buildings(nb)%phi_c_max = buildings(nb)%q_c_max * floor_area_per_facade
1468                buildings(nb)%phi_h_max = buildings(nb)%q_h_max * floor_area_per_facade
1469                IF ( buildings(nb)%phi_c_max < phi_hc_nd_un  .AND.                                 &
1470                     phi_hc_nd_un < buildings(nb)%phi_h_max )  THEN
1471                   phi_hc_nd_ac = phi_hc_nd_un
1472                   phi_hc_nd = phi_hc_nd_un
1473                ELSE
1474!
1475!--             Step 4: inner temperature with maximum heating (phi_hc_nd_un positive) or cooling
1476!--                     (phi_hc_nd_un negative)
1477!--             section C.4.1 Picture C.2 zone 1) and 5)
1478                   IF ( phi_hc_nd_un > 0.0_wp )  THEN
1479                      phi_hc_nd_ac = buildings(nb)%phi_h_max                            !< Limit heating
1480                   ELSE
1481                      phi_hc_nd_ac = buildings(nb)%phi_c_max                            !< Limit cooling
1482                   ENDIF
1483                ENDIF
1484                phi_hc_nd = phi_hc_nd_ac
1485!
1486!--             Calculate the temperature with phi_hc_nd_ac (new)
1487                CALL  im_calc_temperatures ( i, j, k, indoor_wall_temperature, &
1488                                             near_facade_temperature, phi_hc_nd, buildings(nb)%theta_m_t_prev_h(fa) )
1489                theta_air_ac = theta_air
1490             ENDIF
1491!
1492!--          Update theta_m_t_prev
1493             buildings(nb)%theta_m_t_prev_h(fa) = theta_m_t
1494
1495
1496             q_vent = h_v * ( theta_air - near_facade_temperature )
1497!
1498!--          Calculate the operating temperature with weighted mean temperature of air and mean
1499!--          solar temperature.
1500!--          Will be used for thermal comfort calculations.
1501             theta_op     = 0.3_wp * theta_air_ac + 0.7_wp * theta_s          !< [degree_C] operative Temperature Eq. (C.12)
1502
1503!              surf_usm_h(l)%t_indoor(m) = theta_op                               !< not integrated now
1504!
1505!--          Heat flux into the wall. Value needed in urban_surface_mod to
1506!--          calculate heat transfer through wall layers towards the facade
1507!--          (use c_p * rho_surface to convert [W/m2] into [K m/s])
1508             IF ( (facade_element_area - window_area_per_facade) > 0.0_wp )  THEN
1509                q_wall = h_t_wm * ( indoor_wall_temperature - theta_m )                 &
1510                                    / ( facade_element_area - window_area_per_facade )
1511             ELSE
1512                q_wall = 0.0_wp
1513             ENDIF
1514
1515             IF ( window_area_per_facade > 0.0_wp )  THEN
1516                q_win = h_t_es * ( pt(k,j,i) - theta_s ) / ( window_area_per_facade )
1517             ELSE
1518                q_win = 0.0_wp
1519             ENDIF
1520!
1521!--          Transfer q_wall & q_win back to USM (innermost wall/window layer)
1522             surf_usm_h(l)%iwghf_eb(m)        = - q_wall
1523             surf_usm_h(l)%iwghf_eb_window(m) = - q_win
1524!
1525!--          Sum up operational indoor temperature per kk-level. Further below, this temperature is
1526!--          reduced by MPI to one temperature per kk-level and building (processor overlapping).
1527             buildings(nb)%t_in_l(kk) = buildings(nb)%t_in_l(kk) + theta_op
1528!
1529!--          Calculation of waste heat.
1530!--          Anthropogenic heat output.
1531             IF ( phi_hc_nd_ac > 0.0_wp )  THEN
1532                heating_on = 1
1533                cooling_on = 0
1534             ELSE
1535                heating_on = 0
1536                cooling_on = -1
1537             ENDIF
1538
1539             q_waste_heat = ( phi_hc_nd * (                                                        &
1540                              buildings(nb)%params_waste_heat_h * heating_on +                     &
1541                              buildings(nb)%params_waste_heat_c * cooling_on )                     &
1542                            ) / facade_element_area                                             !< [W/m2] , observe the directional
1543                                                                                                !< convention in PALM!
1544             surf_usm_h(l)%waste_heat(m) = q_waste_heat
1545          ENDDO !< Horizontal surfaces loop
1546!
1547!--       Vertical surfaces
1548          DO  fa = 1, buildings(nb)%num_facades_per_building_v_l
1549!
1550!--          Determine indices where corresponding surface-type information is stored.
1551             l = buildings(nb)%l_v(fa)
1552             m = buildings(nb)%m_v(fa)
1553!
1554!--          During spinup set window fraction to zero and add these to wall fraction.
1555             frac_win   = MERGE( surf_usm_v(l)%frac(m,ind_wat_win), 0.0_wp, .NOT. during_spinup )
1556             frac_wall  = MERGE( surf_usm_v(l)%frac(m,ind_veg_wall),                               &
1557                                 surf_usm_v(l)%frac(m,ind_veg_wall) +                              &
1558                                 surf_usm_v(l)%frac(m,ind_wat_win),                                &
1559                                 .NOT. during_spinup )
1560             frac_green = surf_usm_v(l)%frac(m,ind_pav_green)
1561!
1562!--          Determine building height level index.
1563             kk = surf_usm_v(l)%k(m) + surf_usm_v(l)%koff
1564!
1565!--          (SOME OF THE FOLLOWING (not time-dependent) COULD PROBABLY GO INTO A FUNCTION
1566!--          EXCEPT facade_element_area, EVERYTHING IS CALCULATED EQUALLY)
1567!--          Building geometries  --> not time-dependent
1568             IF ( l == 0  .OR. l == 1 ) facade_element_area = dx * dzw(kk+1)    !< [m2] surface area per facade element
1569             IF ( l == 2  .OR. l == 3 ) facade_element_area = dy * dzw(kk+1)    !< [m2] surface area per facade element
1570
1571             floor_area_per_facade        = buildings(nb)%fapf                  !< [m2/m2] floor area per facade area
1572             indoor_volume_per_facade     = buildings(nb)%vpf(kk)               !< [m3/m2] indoor air volume per facade area
1573             buildings(nb)%area_facade    = facade_element_area *                                  &
1574                                            ( buildings(nb)%num_facades_per_building_h +           &
1575                                              buildings(nb)%num_facades_per_building_v )  !< [m2] area of total facade
1576             window_area_per_facade       = frac_win * facade_element_area                !< [m2] window area per facade element
1577
1578             buildings(nb)%net_floor_area = buildings(nb)%vol_tot / ( buildings(nb)%height_storey )
1579             total_area                   = buildings(nb)%net_floor_area                              !< [m2] area of all surfaces
1580                                                                                                      !< pointing to zone  Eq. (9) according to section 7.2.2.2
1581             a_m                          = buildings(nb)%factor_a * total_area *                  &
1582                                            ( facade_element_area / buildings(nb)%area_facade ) *  &
1583                                              buildings(nb)%lambda_at                                 !< [m2] standard values
1584                                                                                                      !< according to Table 12 section 12.3.1.2  (calculate over Eq. (65) according to section 12.3.1.2)
1585             c_m                          = buildings(nb)%factor_c * total_area *                   &
1586                                            ( facade_element_area / buildings(nb)%area_facade )       !< [J/K] standard values
1587                                                                                                      !< according to table 12 section 12.3.1.2 (calculate over Eq. (66) according to section 12.3.1.2)
1588!
1589!--          Calculation of heat transfer coefficient for transmission --> not time-dependent
1590             h_t_es   = window_area_per_facade * buildings(nb)%h_es                                   !< [W/K] only for windows
1591
1592             h_t_is  = buildings(nb)%area_facade  * h_is                                              !< [W/K] with h_is = 3.45 W /
1593                                                                                                      !< (m2 K) between surface and air, Eq. (9)
1594             h_t_ms  = a_m * h_ms                                                                     !< [W/K] with h_ms = 9.10 W /
1595                                                                                                      !< (m2 K) between component and surface, Eq. (64)
1596             h_t_wall  = 1.0_wp / ( 1.0_wp / ( ( facade_element_area - window_area_per_facade )    &  !< [W/K]
1597                                    * buildings(nb)%lambda_layer3 / buildings(nb)%s_layer3 * 0.5_wp &
1598                                             ) + 1.0_wp / h_t_ms )                                    !< [W/K] opaque components
1599             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
1600!
1601!--          Internal air loads dependent on the occupacy of the room.
1602!--          Basical internal heat gains (qint_low) with additional internal heat gains by occupancy
1603!--          (qint_high) (0,5*phi_int)
1604             phi_ia = 0.5_wp * ( ( buildings(nb)%qint_high * schedule_d + buildings(nb)%qint_low ) &
1605                             * floor_area_per_facade )
1606             q_int = phi_ia
1607
1608!
1609!--          Airflow dependent on the occupacy of the room.
1610!--          Basical airflow (air_change_low) with additional airflow gains by occupancy
1611!--          (air_change_high)
1612             air_change = ( buildings(nb)%air_change_high * schedule_d +                           &
1613                            buildings(nb)%air_change_low )
1614!
1615!--          Heat transfer of ventilation.
1616!--          Not less than 0.01 W/K to avoid division by 0 in further calculations with heat
1617!--          capacity of air 0.33 Wh/m2K
1618             h_v   = MAX( 0.01_wp , ( air_change * indoor_volume_per_facade *                      &
1619                                    0.33_wp * (1.0_wp - buildings(nb)%eta_ve ) ) )                    !< [W/K] from ISO 13789
1620                                                                                                      !< Eq.(10)
1621
1622!--          Heat transfer coefficient auxiliary variables
1623             h_t_1 = 1.0_wp / ( ( 1.0_wp / h_v )   + ( 1.0_wp / h_t_is ) )                            !< [W/K] Eq. (C.6)
1624             h_t_2 = h_t_1 + h_t_es                                                                   !< [W/K] Eq. (C.7)
1625             h_t_3 = 1.0_wp / ( ( 1.0_wp / h_t_2 ) + ( 1.0_wp / h_t_ms ) )                            !< [W/K] Eq. (C.8)
1626!
1627!--          Net short-wave radiation through window area (was i_global)
1628             net_sw_in = surf_usm_v(l)%rad_sw_in(m) - surf_usm_v(l)%rad_sw_out(m)
1629!
1630!--          Quantities needed for im_calc_temperatures
1631             i = surf_usm_v(l)%i(m)
1632             j = surf_usm_v(l)%j(m)
1633             k = surf_usm_v(l)%k(m)
1634             near_facade_temperature = surf_usm_v(l)%pt_10cm(m)
1635
1636!              indoor_wall_window_temperature = frac_wall  * t_wall_v(l)%val(nzt_wall,m)             &
1637!                                             + frac_win   * t_window_v(l)%val(nzt_wall,m)           &
1638!                                             + frac_green * t_green_v(l)%val(nzt_wall,m)
1639
1640             indoor_wall_temperature = frac_wall  * t_wall_v(l)%val(nzt_wall,m)                    &
1641                                     + frac_win   * t_window_v(l)%val(nzt_wall,m)                  &
1642                                     + frac_green * t_green_v(l)%val(nzt_wall,m)
1643
1644!
1645!--          Solar thermal gains. If net_sw_in larger than sun-protection
1646!--          threshold parameter (params_solar_protection), sun protection will
1647!--          be activated
1648             IF ( net_sw_in <= params_solar_protection )  THEN
1649                solar_protection_off = 1
1650                solar_protection_on  = 0
1651             ELSE
1652                solar_protection_off = 0
1653                solar_protection_on  = 1
1654             ENDIF
1655!
1656!--          Calculation of total heat gains from net_sw_in through windows [W] in respect on
1657!--          automatic sun protection.
1658!--          DIN 4108 - 2 chap.8
1659             phi_sol = (   window_area_per_facade * net_sw_in * solar_protection_off               &
1660                         + window_area_per_facade * net_sw_in * buildings(nb)%f_c_win *            &
1661                           solar_protection_on )                                                   &
1662                       * buildings(nb)%g_value_win * ( 1.0_wp - params_f_f ) * params_f_w
1663             q_sol = phi_sol
1664!
1665!--          Calculation of the mass specific thermal load for internal and external heatsources.
1666             phi_m   = (a_m / total_area) * ( phi_ia + phi_sol )          !< [W] Eq. (C.2) with phi_ia=0,5*phi_int
1667             q_c_m = phi_m
1668!
1669!--          Calculation mass specific thermal load implied non thermal mass.
1670             phi_st  =   ( 1.0_wp - ( a_m / total_area ) - ( h_t_es / ( 9.1_wp * total_area ) ) )  &
1671                       * ( phi_ia + phi_sol )                                                       !< [W] Eq. (C.3) with
1672                                                                                                    !< phi_ia=0,5*phi_int
1673             q_c_st = phi_st
1674!
1675!--          Calculations for deriving indoor temperature and heat flux into the wall.
1676!--          Step 1: indoor temperature without heating and cooling.
1677!--          section C.4.1 Picture C.2 zone 3)
1678             phi_hc_nd = 0.0_wp
1679             CALL im_calc_temperatures ( i, j, k, indoor_wall_temperature, &
1680                                         near_facade_temperature, phi_hc_nd, buildings(nb)%theta_m_t_prev_v(fa) )
1681!
1682!--          If air temperature between border temperatures of heating and cooling, assign output
1683!--          variable, then ready.
1684             IF ( buildings(nb)%theta_int_h_set <= theta_air  .AND.                                &
1685                  theta_air <= buildings(nb)%theta_int_c_set )  THEN
1686                phi_hc_nd_ac = 0.0_wp
1687                phi_hc_nd    = phi_hc_nd_ac
1688                theta_air_ac = theta_air
1689!
1690!--          Step 2: Else, apply 10 W/m2 heating/cooling power and calculate indoor temperature
1691!--          again.
1692             ELSE
1693!
1694!--             Temperature not correct, calculation method according to section C4.2
1695                theta_air_0 = theta_air !< Note temperature without heating/cooling
1696!
1697!--             Heating or cooling?
1698                IF ( theta_air_0 > buildings(nb)%theta_int_c_set )  THEN
1699                   theta_air_set = buildings(nb)%theta_int_c_set
1700                ELSE
1701                   theta_air_set = buildings(nb)%theta_int_h_set
1702                ENDIF
1703
1704!--             Calculate the temperature with phi_hc_nd_10
1705                phi_hc_nd_10 = 10.0_wp * floor_area_per_facade
1706                phi_hc_nd    = phi_hc_nd_10
1707
1708                CALL  im_calc_temperatures ( i, j, k, indoor_wall_temperature, &
1709                                             near_facade_temperature, phi_hc_nd, buildings(nb)%theta_m_t_prev_v(fa) )
1710
1711                theta_air_10 = theta_air !< Note the temperature with 10 W/m2 of heating
1712!
1713!--             Avoid division by zero at first timestep where the denominator can become zero.
1714                IF ( ABS( theta_air_10  - theta_air_0 ) < 1E-10_wp )  THEN
1715                   phi_hc_nd_un = phi_hc_nd_10
1716                ELSE
1717                   phi_hc_nd_un = phi_hc_nd_10 * ( theta_air_set - theta_air_0 )                   &
1718                                               / ( theta_air_10  - theta_air_0 )             !< Eq. (C.13)
1719                ENDIF
1720!
1721!--             Step 3: with temperature ratio to determine the heating or cooling capacity
1722!--             If necessary, limit the power to maximum power.
1723!--             section C.4.1 Picture C.2 zone 2) and 4)
1724                buildings(nb)%phi_c_max = buildings(nb)%q_c_max * floor_area_per_facade
1725                buildings(nb)%phi_h_max = buildings(nb)%q_h_max * floor_area_per_facade
1726                IF ( buildings(nb)%phi_c_max < phi_hc_nd_un  .AND.                                 &
1727                     phi_hc_nd_un < buildings(nb)%phi_h_max )  THEN
1728                   phi_hc_nd_ac = phi_hc_nd_un
1729                   phi_hc_nd = phi_hc_nd_un
1730                ELSE
1731!
1732!--             Step 4: inner temperature with maximum heating (phi_hc_nd_un positive) or cooling
1733!--                     (phi_hc_nd_un negative)
1734!--             section C.4.1 Picture C.2 zone 1) and 5)
1735                   IF ( phi_hc_nd_un > 0.0_wp )  THEN
1736                      phi_hc_nd_ac = buildings(nb)%phi_h_max                                         !< Limit heating
1737                   ELSE
1738                      phi_hc_nd_ac = buildings(nb)%phi_c_max                                         !< Limit cooling
1739                   ENDIF
1740                ENDIF
1741                phi_hc_nd = phi_hc_nd_ac
1742!
1743!--             Calculate the temperature with phi_hc_nd_ac (new)
1744                CALL  im_calc_temperatures ( i, j, k, indoor_wall_temperature, &
1745                                             near_facade_temperature, phi_hc_nd, buildings(nb)%theta_m_t_prev_v(fa) )
1746                theta_air_ac = theta_air
1747             ENDIF
1748!
1749!--          Update theta_m_t_prev
1750             buildings(nb)%theta_m_t_prev_v(fa) = theta_m_t
1751
1752
1753             q_vent = h_v * ( theta_air - near_facade_temperature )
1754!
1755!--          Calculate the operating temperature with weighted mean of temperature of air and mean.
1756!--          Will be used for thermal comfort calculations.
1757             theta_op     = 0.3_wp * theta_air_ac + 0.7_wp * theta_s
1758
1759!              surf_usm_v(l)%t_indoor(m) = theta_op                  !< not integrated yet
1760!
1761!--          Heat flux into the wall. Value needed in urban_surface_mod to
1762!--          calculate heat transfer through wall layers towards the facade
1763             IF ( (facade_element_area - window_area_per_facade) > 0.0_wp )  THEN
1764                q_wall = h_t_wm * ( indoor_wall_temperature - theta_m )                 &
1765                                    / ( facade_element_area - window_area_per_facade )
1766             ELSE
1767                q_wall = 0.0_wp
1768             ENDIF
1769
1770             IF ( window_area_per_facade > 0.0_wp )  THEN
1771                q_win = h_t_es * ( pt(k,j,i) - theta_s ) / ( window_area_per_facade )
1772             ELSE
1773                q_win = 0.0_wp
1774             ENDIF
1775
1776!
1777!--          Transfer q_wall & q_win back to USM (innermost wall/window layer)
1778             surf_usm_v(l)%iwghf_eb(m)        = - q_wall
1779             surf_usm_v(l)%iwghf_eb_window(m) = - q_win
1780
1781!              print*, "wwfjg", surf_usm_v(l)%iwghf_eb(m), surf_usm_v(l)%iwghf_eb_window(m)
1782!
1783!--          Sum up operational indoor temperature per kk-level. Further below, this temperature is
1784!--          reduced by MPI to one temperature per kk-level and building (processor overlapping).
1785             buildings(nb)%t_in_l(kk) = buildings(nb)%t_in_l(kk) + theta_op
1786!
1787!--          Calculation of waste heat.
1788!--          Anthropogenic heat output.
1789             IF ( phi_hc_nd_ac > 0.0_wp )  THEN
1790                heating_on = 1
1791                cooling_on = 0
1792             ELSE
1793                heating_on = 0
1794                cooling_on = -1
1795             ENDIF
1796
1797             q_waste_heat = ( phi_hc_nd * ( buildings(nb)%params_waste_heat_h * heating_on +       &
1798                                            buildings(nb)%params_waste_heat_c * cooling_on )       &
1799                                                    ) / facade_element_area  !< [W/m2] , observe the directional convention in
1800                                                                             !< PALM!
1801             surf_usm_v(l)%waste_heat(m) = q_waste_heat
1802          ENDDO !< Vertical surfaces loop
1803       ENDIF !< buildings(nb)%on_pe
1804    ENDDO !< buildings loop
1805
1806!
1807!-- Determine the mean building temperature.
1808    DO  nb = 1, num_build
1809!
1810!--    Allocate dummy array used for summing-up facade elements.
1811!--    Please note, dummy arguments are necessary as building-date type arrays are not necessarily
1812!--    allocated on all PEs.
1813       ALLOCATE( t_in_l_send(buildings(nb)%kb_min:buildings(nb)%kb_max) )
1814       ALLOCATE( t_in_recv(buildings(nb)%kb_min:buildings(nb)%kb_max) )
1815       t_in_l_send = 0.0_wp
1816       t_in_recv   = 0.0_wp
1817
1818       IF ( buildings(nb)%on_pe )  THEN
1819          t_in_l_send = buildings(nb)%t_in_l
1820       ENDIF
1821
1822
1823#if defined( __parallel )
1824       CALL MPI_ALLREDUCE( t_in_l_send,                                                            &
1825                           t_in_recv,                                                              &
1826                           buildings(nb)%kb_max - buildings(nb)%kb_min + 1,                        &
1827                           MPI_REAL,                                                               &
1828                           MPI_SUM,                                                                &
1829                           comm2d,                                                                 &
1830                           ierr )
1831
1832       IF ( ALLOCATED( buildings(nb)%t_in ) )  buildings(nb)%t_in = t_in_recv
1833#else
1834       IF ( ALLOCATED( buildings(nb)%t_in ) )  buildings(nb)%t_in = buildings(nb)%t_in_l
1835#endif
1836
1837       IF ( ALLOCATED( buildings(nb)%t_in ) )  THEN
1838!
1839!--       Average indoor temperature. Note, in case a building is completely surrounded by higher
1840!--       buildings, it may have no facade elements at some height levels, which will lead to a
1841!--       division by zero.
1842          DO  k = buildings(nb)%kb_min, buildings(nb)%kb_max
1843             IF ( buildings(nb)%num_facade_h(k) + buildings(nb)%num_facade_v(k) > 0 )  THEN
1844                buildings(nb)%t_in(k) = buildings(nb)%t_in(k) /                                    &
1845                                        REAL( buildings(nb)%num_facade_h(k) +                      &
1846                                              buildings(nb)%num_facade_v(k), KIND = wp )
1847             ENDIF
1848          ENDDO
1849!
1850!--       If indoor temperature is not defined because of missing facade elements, the values from
1851!--       the above-lying level will be taken.
1852!--       At least at the top of the buildings facades are defined, so that at least there an indoor
1853!--       temperature is defined. This information will propagate downwards the building.
1854          DO  k = buildings(nb)%kb_max-1, buildings(nb)%kb_min, -1
1855             IF ( buildings(nb)%num_facade_h(k) + buildings(nb)%num_facade_v(k) <= 0 )  THEN
1856                buildings(nb)%t_in(k) = buildings(nb)%t_in(k+1)
1857             ENDIF
1858          ENDDO
1859       ENDIF
1860
1861
1862!
1863!--    Deallocate dummy arrays
1864       DEALLOCATE( t_in_l_send )
1865       DEALLOCATE( t_in_recv )
1866
1867    ENDDO
1868
1869 END SUBROUTINE im_main_heatcool
1870
1871
1872!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1873! Description:
1874!-------------
1875!> Check data output for plant canopy model
1876!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1877 SUBROUTINE im_check_data_output( var, unit )
1878
1879    CHARACTER (LEN=*) ::  unit   !<
1880    CHARACTER (LEN=*) ::  var    !<
1881
1882    SELECT CASE ( TRIM( var ) )
1883
1884
1885        CASE ( 'im_hf_roof')
1886           unit = 'W m-2'
1887
1888        CASE ( 'im_hf_wall_win' )
1889           unit = 'W m-2'
1890
1891        CASE ( 'im_hf_wall_win_waste' )
1892           unit = 'W m-2'
1893
1894        CASE ( 'im_hf_roof_waste' )
1895           unit = 'W m-2'
1896
1897        CASE ( 'im_t_indoor_mean' )
1898           unit = 'K'
1899
1900        CASE ( 'im_t_indoor_roof' )
1901           unit = 'K'
1902
1903        CASE ( 'im_t_indoor_wall_win' )
1904           unit = 'K'
1905           
1906        CASE ( 'im_t_indoor_wall' )
1907           unit = 'K'
1908
1909        CASE DEFAULT
1910           unit = 'illegal'
1911
1912    END SELECT
1913
1914 END SUBROUTINE
1915
1916
1917!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1918! Description:
1919!-------------
1920!> Check parameters routine for plant canopy model
1921!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1922 SUBROUTINE im_check_parameters
1923
1924!   USE control_parameters,
1925!       ONLY: message_string
1926
1927 END SUBROUTINE im_check_parameters
1928
1929
1930!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1931! Description:
1932!-------------
1933!> Subroutine defining appropriate grid for netcdf variables.
1934!> It is called from subroutine netcdf.
1935!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1936 SUBROUTINE im_define_netcdf_grid( var, found, grid_x, grid_y, grid_z )
1937
1938    CHARACTER (LEN=*), INTENT(OUT) ::  grid_x
1939    CHARACTER (LEN=*), INTENT(OUT) ::  grid_y
1940    CHARACTER (LEN=*), INTENT(OUT) ::  grid_z
1941    CHARACTER (LEN=*), INTENT(IN)  ::  var
1942
1943    LOGICAL, INTENT(OUT)           ::  found
1944
1945
1946    found   = .TRUE.
1947!
1948!-- Check for the grid
1949    SELECT CASE ( TRIM( var ) )
1950
1951       CASE ( 'im_hf_roof', 'im_hf_roof_waste' )
1952          grid_x = 'x'
1953          grid_y = 'y'
1954          grid_z = 'zw'
1955!
1956!--    Heat fluxes at vertical walls are actually defined on stagged grid, i.e. xu, yv.
1957       CASE ( 'im_hf_wall_win', 'im_hf_wall_win_waste' )
1958          grid_x = 'x'
1959          grid_y = 'y'
1960          grid_z = 'zu'
1961
1962       CASE ( 'im_t_indoor_mean', 'im_t_indoor_roof', 'im_t_indoor_wall_win', 'indoor_wall' )
1963          grid_x = 'x'
1964          grid_y = 'y'
1965          grid_z = 'zw'
1966
1967       CASE DEFAULT
1968          found  = .FALSE.
1969          grid_x = 'none'
1970          grid_y = 'none'
1971          grid_z = 'none'
1972    END SELECT
1973
1974 END SUBROUTINE im_define_netcdf_grid
1975
1976
1977!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1978! Description:
1979! ------------
1980!> Subroutine defining 3D output variables
1981!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
1982 SUBROUTINE im_data_output_3d( av, variable, found, local_pf, fill_value, nzb_do, nzt_do )
1983
1984    USE indices
1985
1986    USE kinds
1987
1988    CHARACTER (LEN=*) ::  variable !<
1989
1990    INTEGER(iwp) ::  av    !<
1991    INTEGER(iwp) ::  i     !<
1992    INTEGER(iwp) ::  j     !<
1993    INTEGER(iwp) ::  k     !<
1994    INTEGER(iwp) ::  l     !<
1995    INTEGER(iwp) ::  m     !<
1996    INTEGER(iwp) ::  nb    !< index of the building in the building data structure
1997    INTEGER(iwp) ::  nzb_do !< lower limit of the data output (usually 0)
1998    INTEGER(iwp) ::  nzt_do !< vertical upper limit of the data output (usually nz_do3d)
1999
2000    LOGICAL      ::  found !<
2001
2002    REAL(wp), INTENT(IN) ::  fill_value !< value for the _FillValue attribute
2003
2004    REAL(wp), DIMENSION(nxl:nxr,nys:nyn,nzb_do:nzt_do) ::  local_pf !<
2005
2006    local_pf = fill_value
2007
2008    found = .TRUE.
2009
2010    SELECT CASE ( TRIM( variable ) )
2011!
2012!--     Output of indoor temperature. All grid points within the building are filled with values,
2013!--     while atmospheric grid points are set to _FillValues.
2014        CASE ( 'im_t_indoor_mean' )
2015           IF ( av == 0 ) THEN
2016              DO  i = nxl, nxr
2017                 DO  j = nys, nyn
2018                    IF ( building_id_f%var(j,i) /= building_id_f%fill )  THEN
2019!
2020!--                    Determine index of the building within the building data structure.
2021                       nb = MINLOC( ABS( buildings(:)%id - building_id_f%var(j,i) ), DIM=1 )
2022                       IF ( buildings(nb)%on_pe )  THEN
2023!
2024!--                       Write mean building temperature onto output array. Please note, in
2025!--                       contrast to many other loops in the output, the vertical bounds are
2026!--                       determined by the lowest and hightest vertical index occupied by the
2027!--                       building.
2028                          DO  k = buildings(nb)%kb_min, buildings(nb)%kb_max
2029                             local_pf(i,j,k) = buildings(nb)%t_in(k)
2030                          ENDDO
2031                       ENDIF
2032                    ENDIF
2033                 ENDDO
2034              ENDDO
2035           ENDIF
2036
2037        CASE ( 'im_hf_roof' )
2038           IF ( av == 0 )  THEN
2039              DO  m = 1, surf_usm_h(0)%ns
2040                 i = surf_usm_h(0)%i(m) !+ surf_usm_h%ioff
2041                 j = surf_usm_h(0)%j(m) !+ surf_usm_h%joff
2042                 k = surf_usm_h(0)%k(m) !+ surf_usm_h%koff
2043                 local_pf(i,j,k) = surf_usm_h(0)%iwghf_eb(m)
2044              ENDDO
2045           ENDIF
2046
2047        CASE ( 'im_hf_roof_waste' )
2048           IF ( av == 0 )  THEN
2049              DO m = 1, surf_usm_h(0)%ns
2050                 i = surf_usm_h(0)%i(m) !+ surf_usm_h%ioff
2051                 j = surf_usm_h(0)%j(m) !+ surf_usm_h%joff
2052                 k = surf_usm_h(0)%k(m) !+ surf_usm_h%koff
2053                 local_pf(i,j,k) = surf_usm_h(0)%waste_heat(m)
2054              ENDDO
2055           ENDIF
2056
2057       CASE ( 'im_hf_wall_win' )
2058           IF ( av == 0 )  THEN
2059              DO l = 0, 3
2060                 DO m = 1, surf_usm_v(l)%ns
2061                    i = surf_usm_v(l)%i(m) !+ surf_usm_v(l)%ioff
2062                    j = surf_usm_v(l)%j(m) !+ surf_usm_v(l)%joff
2063                    k = surf_usm_v(l)%k(m) !+ surf_usm_v(l)%koff
2064                    local_pf(i,j,k) = surf_usm_v(l)%iwghf_eb(m)
2065                 ENDDO
2066              ENDDO
2067           ENDIF
2068
2069        CASE ( 'im_hf_wall_win_waste' )
2070           IF ( av == 0 )  THEN
2071              DO l = 0, 3
2072                 DO m = 1, surf_usm_v(l)%ns
2073                    i = surf_usm_v(l)%i(m) !+ surf_usm_v(l)%ioff
2074                    j = surf_usm_v(l)%j(m) !+ surf_usm_v(l)%joff
2075                    k = surf_usm_v(l)%k(m) !+ surf_usm_v(l)%koff
2076                    local_pf(i,j,k) =  surf_usm_v(l)%waste_heat(m)
2077                 ENDDO
2078              ENDDO
2079           ENDIF
2080
2081!
2082!< NOTE im_t_indoor_roof and im_t_indoor_wall_win not work yet
2083
2084!         CASE ( 'im_t_indoor_roof' )
2085!            IF ( av == 0 )  THEN
2086!               DO  m = 1, surf_usm_h%ns
2087!                   i = surf_usm_h%i(m) !+ surf_usm_h%ioff
2088!                   j = surf_usm_h%j(m) !+ surf_usm_h%joff
2089!                   k = surf_usm_h%k(m) !+ surf_usm_h%koff
2090!                   local_pf(i,j,k) = surf_usm_h%t_indoor(m)
2091!               ENDDO
2092!            ENDIF
2093!
2094!         CASE ( 'im_t_indoor_wall_win' )
2095!            IF ( av == 0 )  THEN
2096!               DO l = 0, 3
2097!                  DO m = 1, surf_usm_v(l)%ns
2098!                     i = surf_usm_v(l)%i(m) !+ surf_usm_v(l)%ioff
2099!                     j = surf_usm_v(l)%j(m) !+ surf_usm_v(l)%joff
2100!                     k = surf_usm_v(l)%k(m) !+ surf_usm_v(l)%koff
2101!                     local_pf(i,j,k) = surf_usm_v(l)%t_indoor(m)
2102!                  ENDDO
2103!               ENDDO
2104!            ENDIF
2105
2106        CASE DEFAULT
2107           found = .FALSE.
2108
2109    END SELECT
2110
2111 END SUBROUTINE im_data_output_3d
2112
2113
2114!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
2115! Description:
2116! ------------
2117!> Parin for &indoor_parameters for indoor model
2118!--------------------------------------------------------------------------------------------------!
2119 SUBROUTINE im_parin
2120
2121    USE control_parameters,                                                                        &
2122        ONLY:  indoor_model
2123
2124
2125    CHARACTER (LEN=80) ::  line  !< string containing current line of file PARIN
2126
2127    NAMELIST /indoor_parameters/  indoor_during_spinup,                                            &
2128                                  initial_indoor_temperature
2129
2130
2131!
2132!-- Try to find indoor model package
2133    REWIND ( 11 )
2134    line = ' '
2135    DO  WHILE ( INDEX( line, '&indoor_parameters' ) == 0 )
2136       READ ( 11, '(A)', END=10 )  line
2137    ENDDO
2138    BACKSPACE ( 11 )
2139
2140!
2141!-- Read user-defined namelist
2142    READ ( 11, indoor_parameters )
2143!
2144!-- Set flag that indicates that the indoor model is switched on
2145    indoor_model = .TRUE.
2146
2147!
2148!--    Activate spinup (maybe later
2149!        IF ( spinup_time > 0.0_wp )  THEN
2150!           coupling_start_time = spinup_time
2151!           end_time = end_time + spinup_time
2152!           IF ( spinup_pt_mean == 9999999.9_wp )  THEN
2153!              spinup_pt_mean = pt_surface
2154!           ENDIF
2155!           spinup = .TRUE.
2156!        ENDIF
2157
2158 10 CONTINUE
2159
2160 END SUBROUTINE im_parin
2161
2162
2163END MODULE indoor_model_mod
Note: See TracBrowser for help on using the repository browser.