Gebäudesimulation

Energetische Gebäudesimulationen

Gebäude werden dynamisch genutzt und unterliegen dynamischen Klimabedingungen. Energieeffiziente Gebäude müssen auf diese ständig wechselnden klimatischen Bedingungen reagieren können. Energieeffizienz in der Gebäudetechnik kann aber in der Praxis nicht erzielt werden, wenn mit statischen Rechenverfahren dynamische Gebäude berechnet werden. Zwangsläufig muss bei statisch ausgelegten Gebäuden alles überdimensioniert werden, damit eine einwandfreie Funktion gewährleistet ist.

Durch eine der thermischen Gebäudesimulation sowie einer thermischen Anlagensimulation wird der Heiz- und Kühlbetrieb eines Gebäudes vor der Erstellung realitätsnah simuliert. Sowohl die thermische Gebäudesimulation als auch die thermische Anlagensimulation sind Werkzeuge der integralen Planung und erfordern somit einen intensiven Austausch zwischen den beteiligten Planern.

Thermische Gebäudesimulation - Ingenieurbüro Böger D-48282 EmsdettenDas Ziel einer thermischen Gebäude- oder Anlagensimulation ist es, schon während der Planungsphase die Betriebs- und Investitionskosten zu erkennen und diese durch geeignete Maßnahmen so zu optimieren, dass ein raumklimatisch angenehmes und energetisch attraktives Gebäude entsteht. In der Planungsphase können mittels der thermischen Gebäudesimulation und der thermischen Anlagensimulation noch Planungsfehler vermieden werden, die in der Regel nur mit einem hohen Kostenaufwand korrigiert werden können. Eine thermische Gebäude- oder Anlagensimulation kann in allen Planungsphasen, z.B. Wettbewerb, Konzept Entwurf oder Ausführung, eingesetzt werden. So ist es zum Beispiel möglich, schon in der Wettbewerbsphase die thermische Gebäudesimulation zur Optimierung des Baukörpers einzusetzen und in der Ausführungsplanung wird die thermische Anlagensimulation zur Optimierung der Anlagenregelung herangezogen.

Gegenüber den standardmäßig verwendeten Planungsverfahren in der Haustechnik wird bei der thermischen Gebäude- und Anlagensimulation das Zusammenspiel der technischen Anlagen, des Gebäudekörpers sowie der Gebäudenutzung gleichermaßen berücksichtigt. Somit ist es beispielsweise möglich. Veränderungen an der Fassade oder Änderungen an der Regelung direkt als Energiekosten- und Anlagenkostenänderungen abzulesen.

Basis für eine möglichst uneingeschränktes Aufzeigen der Vor- und Nachteile innovativer Gebäude- und Anlagenkonzepte sind detaillierte und flexible Modellstrukturen für die Gebäude- und die Anlagensimulation. So ist es beispielsweise im Rahmen der thermischen Anlagensimulation möglich, den Betrieb einer Grundwasser gespeisten Bauteiltemperierung einem konventionellen Betrieb mit Heizkörper und Kühldecke gegenüber  zu stellen, oder mit der thermischen Anlagensimulation das Potential einer solaren Temperierung zu ermitteln.

Bei einer thermischen Gebäudesimulation sollte sowohl das komplette Gebäude als auch die Umgebungsbebauung berücksichtigt werden. Nur so ist es im Gegensatz zu einfachen Einraum-Gebäudesimulationen die solare Einstrahlung auf die Gebäudefassaden und die solare Strahlungsverteilung in den Räume realistisch zu erfassen. Eine Berücksichtigung der Gebäudeverschattung bei einer thermischen Gebäudesimulation führt zwangsläufig zu deutlichen Kosteneinsparungen in der Gebäudekühlung. Eine realitätsnahe Abbildung der Solarstrahlungsverteilung im Zuge einer thermischen Gebäudesimulation spielt vor allem bei klimatechnischen Anlagenauslegung großer Glasräume eine wesentliche Rolle.

Energetische Gebäudesimulation - Ingenieurbüro Böger - D-48282 EmsdettenEbenfalls berücksichtigt werden im Rahmen einer thermischen Gebäudesimulation die temperatur- und windbedingten Strömungen bedingt durch geöffnete Fenster und Fassadenfugen. Beispielsweise ist es in Verbindung mit der thermischen Anlagensimulation möglich, bei Hochhäusern die höhenbedingten Heiz- und Kühllastunterschiede darzustellen oder in Räumen mit zu öffnenden Fenstern, das Kühlpotential der Fensterlüftung zu ermitteln.

Im Gegensatz zu den konventionellen Auslegungsmethoden und Programmen werden die Werkzeuge thermische Gebäude- Anlagensimulation ständig dem Stand der aktuellen Entwicklungen angepasst. Beispielsweise können heute bereits Phase Change Materialien im Rahmen einer Gebäudesimulation bewertet und berücksichtigt, oder die Regelung solarer Kühlungssysteme durch eine thermischen Anlagensimulation optimiert werden.

Eine thermische Gebäudesimulation unterstützen ganzheitliche Planungsansätze, da sie die unterschiedlichen für das Raumklima und den Energiebedarf maßgeblichen Einflussfaktoren wie (Außenklima, Gebäudehülle, innere Wärmelasten, Gebäudetechnik) berücksichtigt.

Schwachpunkte der bauphysikalischen und gebäudetechnischen Gebäudeausführung können bereits im frühen Planungsstadium aufgezeigt und behoben werden.

Ziel der Simulationsrechnungen ist es:

gute raumklimatische Verhältnisse sicher zu stellen und objektive Daten für die Beurteilung verschiedener bauphysikalischer und gebäudetechnischer Varianten bereitzustellen, um Kosten einzusparen (Investitions-, Betriebs- und Wartungskosten)

Die Durchführung von thermischen Gebäudesimulationen zur funktionalen und energetischen Gebäudeanalyse empfiehlt sich nicht nur im frühen Planungsstadium von Neubauprojekten, sondern auch vor der Durchführung von Sanierungsmaßnahmen.

Für die Untersuchung des raumklimatischen Komforts in Atrien, Eingangshallen und großen, hohen Räumen bieten sich ergänzend Strömungssimulationen an, um raumklimatische Beeinträchtigungen durch Hitzestaus und Zugerscheinungen zu vermeiden.

Wir berechnet bei einer dynamischen Kühllastberechnung (Kühllastsimulation) die Kühllast von Gebäuden nach VDI 2078. Nach der Eingabe der Geometrien und Randbedingungen einer oder mehrerer Gebäudezonen lässt sich mit Hilfe eines Wetterdatensatz für das Gebäude eine Aussage über die Temperatur in den Zonen treffen. Die dynamische Berechnung wird von unserem System eigenständig für jede Stunde des Tages durchgeführt. Hierdurch bieten wir eine Übersicht über den Kühllastverlauf des Raumes oder auch eines ganzen Gebäudes über den ganzen Tag an 365 Tagen im Jahr.

Dabei wird das Maximum der Raumkühllast zur entsprechenden Stunde ermittelt. Weiterführend wird die maximale Kühllast eines Gebäudes für jede Stunde des Tages ermittelt. Auch der Verlauf der Raumtemperatur bei vorgegebener Kühlleistung wird dabei berechnet und analysiert. Eigenbeschattungen durch Fassaden Vorsprünge werden von unserem System ebenfalls berücksichtigt. Der Verlauf der Raum- und Gebäudekühllast sowie der Raumtemperatur wird für jede Stunde des Tages an 365 Tagen im Jahr graphisch dargestellt. Die relevanten Daten können aus einer bereits vorhandenen Heizlast- oder Wärmebedarfsberechnung übernommen werden. Somit ist ein Optimum an Zeitersparnis möglich, da die in der vorangegangen Berechnung erfassten Daten nicht ein zweites mal erfasst werden müssen. Auch eine dynamische Berechnung von Auslandsprojekten, für alle Orte der nördlichen Halbkugel zwischen dem 10 und 65 Breitengrad ist möglich.

Ferner ermöglicht eine Simulation den Entwurf und die Optimierung von Regelstrategien beispielsweise für die Sonnenschutzsteuerung oder eine natürliche Nachtlüftung. Die Ausgabe der Ergebnisse (Raumtemperaturen und Wärmebedarf) erfolgt grafisch. Diese Ergebnisse sowie Spitzen-Heiz- und Kühllasten sowie Energiebedarfe werden auch im ASCII-Format ausgegeben und können dann entsprechend weiterbearbeitet werden.

trnsys_simulationIm Rahmen von thermischen Gebäude- und Anlagensimulation wird von uns auch der Einsatz von thermischen Bauteilaktivierung (BTA) mit Grundwasserkühlung simuliert. Dabei werden zunächst die unterschiedlichen Effekte der Fassadengestaltung sowie der Einfluss von natürlichen Lüftungsmaßnahmen untersucht und in die thermischen Gebäudesimulation integriert. Dies veranschaulicht zusätzlich den Effekt von unterschiedlichen Maßnahmen zur Rückkühlung.

Die Darstellung der empfundenen Raumtemperaturen und deren Häufigkeit stellt darüber hinaus zusätzliche Information über die zu erwartende Behaglichkeit der untersuchten Maßnahmen dar.

Die Darstellung des Gesamtenergiebedarfes und Kühllast bietet die Grundlage für eine Beurteilung der Wirtschaftlichkeit eines Gebäudes.

 

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