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Der Beitrag gibt eine Übersicht über den gegenwärtigen Stand der Entwicklungen eines “Computational Steering” Werkzeuges zur interaktiven Simulation und Bewertung des thermischen Komforts in Innenräumen. Das System besteht aus einem parallelen CFD Rechenkern, einem schnellen 3D Gittergenerator und einer integrierten VR-basierten Visualisierungskomponente. Das numerische Verfahren basiert auf einem hybriden thermischen Gitter-Boltzmann-Verfahren mit Erweiterungen zur Simulation turbulenter konvektiver Raumluftströmungen. Die Nutzung von Techniken des wissenschaftlichen Höchstleistungsrechnens ermöglicht dabei interaktive Veränderungen am geometrischen Modell und an den Randbedingungen zur Laufzeit bei gleichzeitiger Neuberechnung und Darstellung von Ergebnissen. Das Modell wird gegenwärtig um ein Strahlenmodell und ein lokales thermisches Komfortmodell erweitert, das gemeinsam mit Projektpartnern entwickelt wird. Die Anwendung wird anhand der Strömungssimulation des Großraumabteils eines Zuges demonstriert.

Zur Beurteilung der Zuluftverteilung durch einen komplexen Luftdurchlaß werden experimentelle Untersuchungen durchgeführt und die Daten mit Ergebnissen der numerischen Strömungssimulation (CFD) verglichen. In den CFD Berechnungen wird die gesamte Durchlaßgeometrie sehr detailgetreu berücksichtigt und die Durchströmung des Anschlusskastens mitberechnet. Experimentelle Untersuchungen zur Geschwindigkeitsverteilung werden im Aufenthaltsbereich als auch im Nahfeld des Durchlasses durchgeführt. Der untersuchte Dralldurchlaß erzeugt ein komplexes Strömungsbild und es bilden sich instationäre Strukturen in der induzierten Raumluftströmung. Die berechneten Raumluftgeschwindigkeiten und die Geschwindigkeitsverteilung im Nahfeld des Durchlasses stimmen weitgehend mit experimentellen Daten überein. Es zeigt sich jedoch, daß das gewählte Turbulenzmodell die im Experiment auftretenden großskaligen Wirbelstrukturen nicht wiedergibt. Zusätzlich hat sich gezeigt, daß eine einfache Modellierung des Lochblechs als Quellterm in der Impulsgleichung nicht ausreichend ist.

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Zur Reduktion des Zeitaufwands von dynamisch-thermischen Langzeitsimulationen mit CFD-Programmen wurde in kürzlich veröffentlichten Studien eine neuartige Freeze-Flow Methode vorgestellt. Diese basiert auf der periodischen Umschaltung zwischen der volldynamischen Lösung aller Gleichungen und der ausschließlichen Lösung der Enthalpie-Gleichungen (eingefrorene Luftströmung). Dieser Artikel beschreibt eine neue, angepaßte Regelung für diese Umschaltung, wodurch eine zusätzliche Reduzierung der Simulationszeit erzielt wird. In Tests an Modellen für die mechanische und freie Lüftung sowie der freien Konvektion im geschlossenen Raum für feste und zeitveränderliche thermische Randbedingungen wurde im Vergleich zur ununterbrochenen volldynamischen Simulation eine Simulationszeiteinsparung von bis zu 93% erreicht.

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Am Beispiel eines städtebaulichen Entwicklungsvorhabens in Bottrop-Kirchhellen wird eine vollständige Versorgung eines Baugebietes mit Geothermie vorgestellt. Anhand von Simulationen wurden die Lastprofile der Gebäude ermittelt und mit den geothermischen Simulationen verknüpft. Die Heizlastschwankungen in den Gebäuden stehen jedoch den von den Erdwärmesonden zur Verfügung gestellten und nahezu konstanten Wärmemengen entgegen. Daher ist einerseits die Glättung der Lastprofile durch die Kombination verschiedener gebäudetechnischer Konzepte und andererseits der Einsatz von Speichern von zentraler Bedeutung für eine effiziente Nutzung der Geothermie.

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Die rechnerische Vorhersage natürlicher Lüftungsvorgänge in Gebäuden gestaltet sich aufgrund der Problematik der Randbedingungen und der instationären Natur des Vorganges oft schwierig. Hinzu kommt, daß der reine Lüftungsvorgang lediglich eine Teil information liefert, wenn beispielsweise Nachtlüftungen und die damit einhergehende Entwärmung untersucht werden müssen. Unter Nutzung der Möglichkeiten einer speziellen Finite-Elemente-Methode (FEM) lassen sich Randbedingungsformulierungen finden, die für die Berechnung natürlicher Lüftungsvorgänge geeignet sind. Weiterhin werden Möglichkeiten und Kriterien vorgestellt, instationäre Lüftungsvorgänge unter hygienischen und energetischen Gesichtspunkten zu analysieren. Der energetische Aspekt lässt sich besonders herausarbeiten, wenn man Raumluftströmungsberechnung und thermische Gebäudesimulation geeignet kombiniert.

No Abstract
[Bauphysik 28, H. 6, S. 368-379 (2006),http://dx.doi.org/10.1002/bapi.200610039]

Gegenstand der vorliegenden Arbeit ist die Analyse und Evaluierung von thermoaktiven Bauteilsystemen (TABS) und einem Nachtlüftungskonzept hinsichtlich des thermischen Raumkomforts auf Grundlage einer modellbasierten Simulationsstudie. Das Gebäude- und Anlagenmodell wurde in der Simulationsumgebung ESP-r mit Meßdaten aus Experimenten in einem Niedrigenergie-Bürogebäude validiert. Die Untersuchung umfaßt: Betonkerntemperierung (BKT), Kapillarrohrmatten ohne und mit 20% mikroverkapselten latenten Wärmespeichermaterialien (PCM) im Deckenputz. Zentrale Ergebnisse sind: Die Konditionierung mit Kapillarrohrmatten ermöglicht ein zufrieden stellendes Raumklima vergleichbar mit BKT, die Verwendung von PCM trägt entscheidend zur Reduzierung der Raumtemperaturen bei und der optimale Schmelzbereich des PCM-Speichers liegt in dieser Untersuchung bei 19 bis 22 °C.

Zwei- und dreidimensionale dynamische thermische Bauteilsimulationen unter Berücksichtigung instationärer klimatischer Randbedingungen können das reale Bauteilverhalten in guter Näherung abbilden. Bisherige Werkzeuge zur mehrdimensionalen thermischen Bauteilsimulation weisen häufig Einschränkungen in den abzubildenden Bauteilgeometrien und -topologien auf oder können bzgl. zusätzlicher physikalischer Effekte (z. B. hygrothermisches Bauteilverhalten) nicht erweitert werden. Aus diesem Grund wurde auf Grundlage des allgemeinen FEM-Werkzeugs KARDOS, mit welchem Multiphysics-Probleme modelliert werden können, eine Toolbox zur thermischen Bauteilsimulation erstellt. Diese erlaubt die Eingabe nahezu beliebiger zwei- und dreidimensionaler Bauteilgeometrien in ein objektorientiertes Bauteilmodell. Ausgehend von diesem Bauteilmodell wird über einen Präprozessor die Vernetzung des Berechnungsgebiets für die FEM-Simulation mit KARDOS automatisch durchgeführt. An Hand einiger Fallbeispiele wird die KARDOS-basierte Toolbox zur Bauteilsimulation demonstriert.

Gegenwärtig ist der normale Planungsablauf gemäß der Honorarordnung für Architekten und Ingenieure (HOAI) aufgeteilt in einzelne Fachgebiete und Gewerke, wobei in jedem Fachgebiet eigene, spezifische Planungswerkzeuge zum Einsatz kommen. Im technischen Bereich kommen dabei aus traditionellen und wirtschaftlichen Gründen meist vereinfachende, stationäre Berechnungsmethoden (simple Tabellenverfahren) zum Einsatz. Im Rahmen des vorliegende Beitrags wird anhand eines Beispiels aus der Praxis zunächst aufgezeigt, warum moderne, höherwertige Planungswerkzeuge in Form von Computersimulationen den Standardmethoden prinzipiell überlegen sind. Anschließend wird veranschaulicht, welche enormen Einsparungen mit Hilfe von Computersimulationen bei der Planung von Anlagentechnik erreicht werden können. Abschließend wird der Einsatz von Simulationstechnik kostenmäßig bewertet und somit auch der wirtschaftliche Vorteil des Einsatzes von höherwertigen Planungswerkzeugen im Planungsprozeß exemplarisch quantifiziert.

In dem Beitrag werden die Bilanzgleichungen eines neu entwickelten Programms zur gekoppelten Wärme-, Luft-, Feuchte- und Schadstoffberechnung (CHAMPS) und ein Modell zur Berücksichtigung der Effekte dreidimensionaler Luftströmung vorgestellt. Die Leistungsfähigkeit des numerischen Verfahrens wird anhand von praxisrelevanten Anwendungsfällen, der Simulation des hygrothermischen Verhaltens einer leichten Wandkonstruktion und eines durchlüfteten Daches demonstriert.

Es wird ein Modell vorgestellt, das eine erweiterte Analyse der hygrisch-thermischen Zustandsgrößen eines Gebäudes, durch die direkte Kopplung von Zonen- mit Feldmodellen, ermöglicht. Das ursprünglich auf die Berechnung von technischen Anlagen ausgerichtete Programmpaket TRNSYS ist so aufgebaut, daß in das gegebene Bilanzierungsgebiet eigene Algorithmen für unterschiedliche technische Komponenten oder physikalische Zusammenhänge integriert werden können. Das Gesamtsystem aus vorhandenen Algorithmen und neuen Komponenten wird von TRNSYS für jeden Zeitschritt neu gelöst. Es besteht damit die Möglichkeit, Feldmodelle zur detaillierten Beschreibung der physikalischen Zustände in der Raumumschließungskonstruktion (Wand) oder die komplexe Analyse der Raumluftströmung mit dem Zonenmodell für die Gebäudesimulation zu verbinden. Die neu in das TRNSYS-Gerüst integrierten Module und die Wechselwirkung mit dem vorhandenen Zonenmodell (Standard TYPE 56) werden erläutert. Eine Basis, die entwickelten Simulationstools zu testen und zu validieren, bietet die Mitarbeit im Rahmen der IEA Annex 41 “Whole building heat, air and moisture response (MOIST-ENG)”. Einzelne Validierungsberechnungen und praktische Anwendungsbeispiele werden vorgestellt.

Es wurde ein allgemeines Verfahren zur realistischen Leistungsbewertung von Sonnenschutzmaßnahmen für Fassaden entwickelt. Das Verfahren eignet sich insbesondere für Jalousien und kann entweder unabhängig oder innerhalb von Gebäudesimulationsprogrammen eingesetzt werden. Das neue Verfahren hat sich in der Praxis bereits bei der Planung großer Bürogebäude in Deutschland, Österreich und der Schweiz bewährt. Dieses Verfahren wird ausführlich dargelegt. Es kann entweder unabhängig (ohne Gebäudesimulation) zum Vergleich verschiedener Fassadensysteme oder innerhalb von Gebäudesimulationsprogrammen eingesetzt werden. In dieser Veröffentlichung wird die Erweiterung der Methode auf Fassaden mit in einer Isolierverglasung integrierten Sonnenschutzsystemen vorgestellt. Bestimmte Teil e des Verfahrens könnten innerhalb von Normen (z. B. EN 13363) oder zur Verbesserung der Genauigkeit von Gebäudesimulationsprogrammen verwendet werden. Praxiserfahrung mit der neuen Methodik führte zu neuen Erkenntnissen, die die Grundlage für zwei neue Produkte bilden. Es werden diese neuen Produkte auf der Grundlage der neuen Methodik mit Produkten auf dem Stand der Technik verglichen. Im Rahmen eines von der Veluxstiftung finanzierten Projekts wird das neue Verfahren z.Z. in das Gebäudesimulationsprogramm ESP-r integriert.

The design and operation of energy-efficient systems for indoor environment control (heating, cooling, ventilation, lighting) can benefit from reliable information on occupants' actions to bring about changes in the status of building control systems. Specifically, the computational modeling of occupants' control-oriented actions in building performance simulation applications can be significantly improved based on such empirical information on user behavior. The present paper concerns the type and number of user control actions as related to building systems in two office buildings in Vienna, Austria.

Die Kenntnis des zu erwartenden thermischen und hygrischen Zustands der Raumluft bereits in der Planungsphase eines Gebäudes ist in vielerlei Hinsicht bedeutsam. Insbesondere in hohen Räumen bildet sich vielfach ein vertikaler Gradient der Temperatur und der Feuchte im Raum aus. Der Einfluß der freien Konvektion darf bei der Berechnung nicht vernachlässigt werden. Hierfür sind geeignete Rechenmodelle erforderlich. Es wurden ein Feldmodell und ein Multi-Zonen-Modell entwickelt und anhand von Meßdaten validiert. Die Berechnung mit dem Feldmodell liefert detaillierte Informationen über den Zustand der Raumluft für jeden Ort im Raum; der numerische Aufwand ist allerdings sehr groß. Mittels des Multi-Zonen-Modells kann der Zustand der Raumluft für einzelne Bereiche im Raum unter prinzipieller Berücksichtigung der freien Konvektion berechnet werden; der erforderliche numerische Aufwand ist dabei gering. Beide Modelle ergänzen sich einander und bieten die Möglichkeit, den Aufwand der Berechnung an die jeweilige Problemstellung anzupassen.

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Die Norm DIN 4109 - Schallschutz im Hochbau regelt alle Belange rund um den baulichen Schallschutz. Hierzu gehören sowohl die Festlegung von Anforderungen, als auch die Beschreibung von Verfahren, mit denen ein geforderter Schallschutz vorhergesagt werden kann (sog. Prognoseverfahren). Weiterhin wird beschrieben, wie ein meßtechnischer Schallschutznachweis grundsätzlich durchzuführen ist. Die Prognoseverfahren beinhalten auch einen Bauteilkatalog mit der Beschreibung der bauakustischen Kenngrößen üblicher Bauteile. DIN 4109 wird zur Zeit aus verschiedenen Gründen komplett überarbeitet. Es werden die Hintergründe der Überarbeitung erläutert sowie die Struktur der neuen Norm vorgestellt. Insbesondere wird auf die Erarbeitung eines neuen Bauteilkataloges für den Bereich der im Holzbau bzw. Leichtbau üblichen Bauteile eingegangen, wobei der jetzt erstellte Bauteilkatalog auch anhand von Beispielen vorgestellt wird. Weiterhin wird auf den aktuellen Sachstand der Überarbeitung von DIN 4109 eingegangen.