Thermische Gebäudesimulation

Grundlage für die thermische Gebäudesimulation ist ein dreidimensionales Gebäudemodell. Dieses 3D Gebäudemodell beschreibt möglichst exakt die Geometrie und die bauphysikalische Eigenschaften aller relevanten Bauteile unter Einbeziehung von weiteren Randbedingungen, wie z. B. inneren und äußeren Wärme-/Kühllasten, zeitlichen Nutzungsprofilen und weiteren aktiven Maßnahmen durch haustechnische Anlagen.  Damit können auch besonders kritische Räume hinsichtlich innerer und äußerer Einflüsse unter Verwendung der jeweiligen Wetterdaten des Standortes (z.B. nach Test-Referenz-Jahr TRY oder Meteonorm) bewertet werden. Thermische Gebäudesimulationen zeigen wirtschaftliche Lösungen und Optimierungen bei technischen Systemen sowie der Gebäudehülle auf, um die gewünschten angenehmen Raumbedingungen mit komfortablem Raumklima zu realisieren.

Bei der dynamischen thermischen Gebäudesimulation werden die Auswirkungen innerer und äußerer Einflüsse betrachtet, dazu gehören z. B.  die solare Einstrahlung mit Bewertung von Fensterflächen- und Verglasungsanteilen und Verschattung durch Nachbargebäude, die Anlagentechnik, Kühldecken, Betonkernaktivierung, Lüftungssysteme usw.

Mit einer thermische Gebäudesimulation können durch Variantenvergleiche energie- und anlagentechnische Konzepte unter wirtschaftlichen Aspekten bewertet und optimiert werden (Raumtemperaturen, Strahlungstemperaturen, operative Temperaturen).

Wesentliche Bewertungsgrößen sind der PMV- sowie der PPD-Index, welche auf Fanger [Fanger, P. O.: Thermal Comfort analysis and Applications in Environmental Engineering. McGraw-Hill-Books New York, 1973] zurückgehen.

Der PMV-Index (predicted mean vote) beschreibt die mittlere subjektive Klimabewertung der Raumnutzer.

Der PPD-Index (Predicted Percentage of Dissatisfied) hingegen stellt den Prozentsatz der Nutzer dar, die mit den herrschenden raumklimatischen Verhältnissen unzufrieden sind.

Unsere Simulationen führen wir mit EDSL TAS .aus.

Bei Räumen mit Kühlbedarf in den Sommermonaten wird mit Simulationen die Reduzierung konventioneller Technik untersucht. Hierbei können Strategien wie die Nachtlüftung mit Außenluft zur Entladung von Speichermassen, welche die Kühllast in den warmen Stunden tagsüber reduziert oder gar vollständig vermeidet untersucht werden. Hierdurch können Investitionskosten reduziert werden. Gleichzeitig kann eine Simulation eine Antwort auf die Frage nach der Behaglichkeit beantworten.

Die thermischen Simulationen werden unter Anwendung des Programmes TAS (Thermal Analysis Software) durchgeführt. TAS ist ein modular aufgebautes dynamisches Simulationsprogramm. Basis ist ein reales 3D-Gebäudemodell. Hiermit können durch mathematische und physikalische Kopplung von thermischen Effekten, die zu erwartenden Bedingungen hinsichtlich der stündlichen Klimabedingungen ermittelt und weitestgehend naturgetreu wiedergegeben werden.

Unsere Berechnungen werden mit der Software EDSL Tas durchgeführt.

Wesentliche Leistungsinhalte der thermischen Gebäude- und Anlagensimulationen sind:

• Ganzheitliche optimierte Planung:
  Bewertung und Optimierung von Fassade,
  Sonnenschutz und Haustechnikkonzepten
  (Variantenuntersuchungen)
• Bewertungsgrundlage im Rahmen einer Nachhaltigkeits-Zertifizierung nach DGNB
• Einbeziehung der natürlichen Lüftung,
  Nachtauskühlung etc.
• Ermittlung von zu erwartenden Raumluft und
  empfundenen (operativen) Temperaturen:
  • im Sommer
  • in der Übergangszeit und
  • im Winter
• Ermittlung von Oberflächentemperaturen und Energieströmen als
  Grundlage für 2D/3D-Strömungssimulationen
• Häufigkeits-Statistik von Raumtemperaturen
• Optimierung der Komponenten für Lüftungs- und
  Klimatechnik durch Anlagensimulation
• Nachweise zum sommerlichen Wärmeschutz nach DIN 4108-2 (EnEV 2014)
• Jahresenergiebedarf (Heizen, Kühlen, Strom)
  Analyse von Tages- und Jahresganglinien,
  detaillierte Lastkurven
• Behaglichkeitsauswertungen
  (2D-Strömungssimulationen)
• Verschattungsstudien,
  Nutzung stündlicher Wetterdaten für Projekte weltweit
• Weitere vielfältige projektspezifische
  Fragestellungen

Basierend auf den Ergebnissen der thermischen Gebäudesimulation werden 2D-Strömungssimulationen durchgeführt. Mit diesen Untersuchungen ist es möglich, verschiedene Fassaden- und Haustechnikkonzepte (z.B. dezentrale Lufteinbringung, Betonkernaktivierung etc.) hinsichtlich ihrer Auswirkungen auf die thermische Behaglichkeit zu analysieren und zu bewerten (Behaglichkeitsanalyse).
Ergebnisse sind zweidimensionale Schnittdarstellungen der räumlichen Verteilung von

• empfundenen (operativen) Temperaturen,
• Raumlufttemperaturen,
• Luftgeschwindigkeiten,
• relativen Raumluftfeuchten und
• des PPD-Indexes (Vorrausgesagte Prozentsatz Unzufriedener nach DIN EN ISO 7730).

Weiterhin kann mit Hilfe der Strömungssimulationen der Kaltluftabfall an Fassaden ermittelt werden.

Die Simulationen und Auswertungen werden u.a. für Standard-Büros, Eingangshallen und Erschließungszonen in Einkaufszentren durchgeführt.

Die Grafik zeigt beispielhaft die räumliche Verteilung der empfundenen Temperatur (mit Pfeilen für die Luftströmung überlagert) für ein Eingangsfoyer (WHO Genf). Deutlich zu erkennen ist der Einfluss der erhöhten Oberflächentemperaturen am Fußboden auf die empfundenen Temperaturen im Aufenthaltsbereich.

Nachfolgende Abbildungen zeigen Ergebnisse der empfundenen Temperaturen, der Strahlungstemperaturverteilung und den PPD-Index für einen Aufenthaltsraum (EWHA Womans University in Seoul).  Der sogenannte PPD-Index („percentage of persons dissatisfied“) ist ein Gradmesser für die Nutzerzufriedenheit. Während es nie möglich sein wird, alle Nutzer 100 % zufriedenzustellen (daher in der Skala auch die Bestnote immer noch mit 5 % Unzufriedenen), ist dieser Index ein nützliches Werkzeug um Voraussagen über den zu erwartenden thermischen Komfort in Abhängigkeit von Fassade und Technikkonzept treffen zu können.

Als Spezialist unterstützen wir Bauherren, Investoren und Ingenieurbüros gerne mit unseren Dienstleistungen im Bereich der thermischen Gebäudesimulation. Wir entwickeln und realisieren innovative Ideen und Konzepte.

Referenzprojekte: