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 Prof. Dr.-Ing. Helmut E. Feustel
Sachverständiger
für Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechnik

Energie-, Gebäude- und Sicherheitstechnik
-weltweit-
Aus Forschung und Entwicklung für die Praxis

 


Mitglied im Building Design Network

 

 
Gebäudesimulation

Simulation des thermischen Verhaltens von Gebäuden

Die numerische Simulation des thermischen Verhaltens von Gebäuden (fälschlicher weise oft als "thermische Gebäudesimulation" bezeichnet) erlaubt es, folgende Fragestellungen zu beantworten:

  • Temperaturverhalten innerhalb von Gebäuden in Abhängigkeit von Witterungsbedingungen, Architektur, thermische Speicherung und Leistung Raumlufttechnischer (RLT) Anlagen.
  • Auswirkung der thermischen Speicherfähigkeit auf die Raumtemperatur und die notwendige Leistung von RLT-Anlagen.
  • Dimensionierung von RLT-Anlagen bei vorgegebenen architektonischen und bauphysikalischen Randbedingungen.
  • Auswirkungen der architektonischen Lösung auf den Energieverbrauch.
  • Auswirkung des Energie- und Anlagenkonzepts sowie der Regelstrategie auf den Energieverbrauch.



Darstellung eines dreigeschossigen Bürogebäudes für das Simulationsprogramm DOE-2. In der Ansicht erscheinen opaque Fassadenflächen rot, Glasflächen blau, Innenwände und Fußböden grau und Fassadeninnenflächen durchsichtig.


Für die numerische Simulation des thermischen Verhaltens von Gebäuden sind, hauptsächlich in den USA, eine Reihe von Programmen erstellt worden. Die hier verwendeten Programme DOE-2 und RADCOOL wurden unter unserer Beteiligung am Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) der University of California entwickelt. Die meteorologischen Randbedingungen werden den von Wetterdiensten herausgegebenen Wetterdaten entnommen. Für den Bereich der Bundesrepublik Deutschland sind sogenannte Test-Referenz-Jahre (TRY) entwickelt worden, die alle wesentlichen das Raumklima bestimmenden Wetterelemente beinhalten.

Mit über 1000 Installationen weltweit ist DOE-2 wohl das verbreitetste Programm zur Simulation des thermischen Verhaltens von Gebäuden. RADCOOL ist eine Spezialentwicklung des LBNL, die auch aktive Bauteile (Bauteilkonditionierung) mittels des finiten Differenzenverfahrens simulieren kann.

Ein Betonbauteil mit wasserdurchflossenen Rohren (Pipes) wird in ein zweidimensionales Gitterwerk aufgeteilt. Die sich einstellenden Wärmeströme werden mit Hilfe finiter Differenzenverfahren ermittelt.

Die Verifikation von DOE-2 wurde u.a. im Rahmen eines Projekts der Internationalen Energieagentur (IEA) durchgeführt . RADCOOL Ergebnisse wurden mit Hilfe von Simulationsergebnissen anderer Rechenprogramme und Meßwerten eines Bürogebäudes in der Schweiz evaluiert .

Eines der ersten Gebäude, bei dem RADCOOL zur numerischen Simulation des thermischen Verhaltens zur Anwendung kam, ist das Kunsthaus Bregenz (Architekt Peter Zumthor, Schweiz). (Foto courtesy of Margot Dertinger-Schmid)

Mit seiner Glasfassade um die Betonkonstruktion herum wirkt es sehr leicht, obgleich das Gebäude über eine hohe thermische Speicherfähigkeit verfügt. (Foto courtesy of Margot Dertinger-Schmid)

 

 

Daß Simulationsprogramme auch zur Überprüfung der Gebäudeautomation herangezogen werden können, zeigt das folgende Beispiel. Hier werden der Verlauf der gemessenen Raumlufttemperatur eines Testraumes (blaue Kurve) mit den für diesen Raum mittels RADCOOL errechneten Ergebnissen verglichen. Die Unterschiede in den Temperaturspitzen der fünf Arbeitstage ergeben sich durch fehlerhaft kalibrierte Strahlungssensoren, die für die Auslösung des beweglichen Sonnenschutzes zuständig sind.

Vergleich der gemessenen und errechneten Raumlufttemperaturen für den Zeitraum einer Woche. Deutlich ragen die gemessenen Spitzenwerte über die errechneten Werte hinaus. Schuld daran ist ein falsch-kalibrierter Sensor für den beweglichen Sonnenschutz.

In Zukunft werden Simulationsprogramme also nicht nur während der Planungsphase eingesetzt werden, um Anlagen zu dimensionieren oder die Einhaltung von Grenztemperaturvorgaben zu überprüfen, sondern auch während des Betriebes zur Gewährleistung einer optimalen und ressourcenschonenden Gebäudekonditionierung.

Aber auch Simulationsrechnungen garantieren nicht, dass das projektierte Gebäude auch gebaut wird, wie man an Zumthors Entwurf "Topographie des Terrors" erfahren musste. Einzig die drei Treppentürme des Entwurfs wurden verwirklicht - und im Dezember 2004 wieder eingerissen, nachdem die Bauherrschaft den Architekten wegen "explodierender Kosten" entlassen hatte. (Photo courtesy of Berliner Zeitung 30.11.04)

(Berliner Zeitung 30.11.04: Zumthors Türme fallen: Der Abriss hat am Montag begonnen, Arbeiten kosten 160000 Euro und sollen im Mai abgeschlossen sein)

 

 

 

 

 

Luftdurchströmung von Gebäuden:
Neben den Simulationsprogrammen zur Bestimmung des thermischen Verhaltens von Gebäuden werden auch Modelle zur Vorhersage der Luftdurchströmung von Gebäuden eingesetzt. Mit solchen Modellen lassen sich z.B. die Raumluftqualität sowie der Lüftungswärmebedarf einzelner Räume eines Gebäudes bestimmen. Ferner können die Schadstoffverteilung von im Gebäude emittierten Stoffen (z.B. Tabakrauch, flüchtige Stoffe von Möbeln oder neu verlegten Teppichen oder von Prozessen im Gebäude), aber auch durch die RLT-Anlage (Klima- oder Lüftungsanlage) oder über die Fassaden eindringenden Außenluftverunreinigungen vorhergesagt werden. Hier kommt das im Rahmen eines IEA Projektes unter meiner Leitung entwickelte Mehrzonensystem COMIS zur Anwendung. Wie die „thermischen" Programme, so wurde auch COMIS einem rigerosen Verifikationsprozeß unterzogen.

Für weitere Informationen und einen Gesprächstermin schicken Sie uns bitte eine e-mail

 

Literatur:
Lomas, K.J., H. Eppler, C. Martin und D. Bloomfield (1994), „Empirical Validation of Thermal Building Simulation Programs using Test Room Data", International Energy Agency, Paris

Stetiu, C., H.E. Feustel und F.C. Winkelmann (1995), „Development of a Model to Simulate the Performance of Radiant Cooling Ceilings", ASHRAE Transactions 101, Band 2

Feustel. H.E. (Editor), Energy and Buildings (1999), Special Issue devoted to Multizone Air Flow Modelling

 


 

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Prof. Dr.-Ing. Helmut E. Feustel

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