Simulationen

thermisch-energetische und fluiddynamische Simulationen

Leistungen

Simulationen haben die Aufgabe neue Systeme oder Komponenten für den vorgesehenen Einsatz ein reales Abbild darzustellen. Simulationen ermöglichen Aussagen über

  • Machbarkeit
  • Energieaufwand
  • Schadstoffverteilung
  • Strömungsverhältnisse und
  • thermodynamische Zustände

Eine Simulation gibt die entsprechende Sicherheit, Probleme frühzeitig erkennen, so dass aufwendige Versuche, z.B. Windkanal etc. entfallen können.

Seit Jahren werden von uns Simulationsprogramme für die thermisch-energetische und fluiddynamische Simulation von Gebäuden und Anlagen eingesetzt.

Übersicht der Simulationsverfahren

Thermisch-energetische Gebäude- und Anlagensimulationen
Durch die thermisch energetische Simulation können Energieverbräuche, Energiekosten und Lastgänge wesentlich exakter ermittelt und quantitative Aussagen zu Innenraumtemperaturen und Übertemperaturhäufigkeit getroffen werden.

Auf Basis dieser Ergebnisse können Vorgaben für Regelungsparameter der Heizungs- Kühlungs- und Lüftungsanlage festgelegt werden.

Für die thermisch-energetische Simulation wird das Programm GEBSIMU von Prof. Rouvel (TU-München) verwendet.

Wesentlicher Programmbestandteil ist die Kopplung zwischen Gebäudesimulation und Anlagensimulation in beiden Richtungen. Werden in der Anlagensimulation Randbedingungen geändert, die die Ergebnisse der Gebäudesimulation beeinflussen, so wird automatisch die Gebäudesimulation aufgerufen und die Ergebnisse richtig gestellt.

Bei den meisten Programmen findet diese Rückkopplung nicht statt. Nur Programme mit dieser Rückkopplung sind in der Lage, die Auswirkung einer zu geringen Anlagenleistung auf die Raumtemperaturen zu berechnen. Auch eine programmgesteuerte Veränderung eines variablen Sonnenschutzes zur Vermeidung von künstlicher Beleuchtung ist nur mit Rückkopplung möglich. Das Gleiche gilt für eine automatische Berechnung der Anlagenlaufzeit aufgrund der Anfahrbedingungen mit einer Vorverlegung der Anheizzeit oder Vorkühlzeit.

GEBSIMU ist ferner in der Lage, natürliche Lüftung, transparente Wärmedämmung, Bauteilkühlung, Kühldecken, variable Volumenströme, Beleuchtungsbedarf etc. zu berechnen. Außer der Raumlufttemperatur wird auch die empfundene Temperatur ausgewiesen. GEBSIMU hat eine komfortable graphische und alphanumerische Ausgabe, sowie Schnittstellen zu EXCEL und einer Vielzahl von Graphikformaten.

Sommerlicher Wärmeschutz und Übertemperaturgradstunden
Die Innenlasten in modernen Gebäuden, hervorgerufen durch die Personenanzahl, Beleuchtungs- und EDV-Anlagen, führen in Verbindung mit besserer Dämmung der Außenbauteile häufig zu einem Anstieg der Übertemperaturhäufigkeit. Wir führen für Sie die nach DIN 4108-2 erforderliche thermisch- und energetische Simulation durch, stellen die Ergebnisse übersichtlich zusammen und werten sie aus.
Simulationsberechnungen der CO2-Qualität der Innenraumluft
Die seit September 2015 in Kraft getretene VDI 6040 Blatt 2 (Raumlufttechnik-Schulen–Ausführungshinweise) enthält genaue Anforderungen an die Raumluftqualität in Schulen. Sie enthält weiterhin Berechnungsalgorithmen zur freien Lüftung (Abgleich mit VDI 2078 mgl.) und zum CO2-Konzentrationsverlauf im Unterrichtsraum.
Fluiddynamische Simulation

Fluiddynamische Simulationen (CFD, Computational Fluid Dynamics) werden von der Zimmermann und Becker GmbH seit 1995 Aufgabenstellungen in der technischen Gebäudeausrüstung durchgeführt. Da es noch keine Richtlinie für fluiddynamische Simulationen gab, wurden verschiedene Programme in unserem Hause verglichen.

PHOENICS wurde 1981 von CHAM in London unter der Leitung von Prof. Spalding entwickelt. PHOENICS ist damit eines der ältesten fluiddynamischen Simulationsprogramme. Zusammen mit dem Gridgenerator GEOGRID von CSI hat es einen sehr großen Anwendungsbereich. Durch eine große Zahl von verfügbaren Turbulenz- und Strahlungsmodellen, sowie leistungsfähigen Gittergeneratoren ist eine Anpassung an nahezu jede Aufgabenstellung möglich. Das Programm hat sich durch seine hohe Stabilität und Rechengenauigkeit bewährt

In Kombination mit der thermisch energetischen Simulation können mittels der fluiddynamischen Simulation belastbare Aussagen hinsichtlich der zu erwartenden Aufenthaltsqualität (Thermische Behaglichkeit) am Büroarbeitsplatz getroffen werden:

  • Analyse der räumlichen Verteilung der Temperaturen, Strömungsgeschwindigkeiten und der Luftqualität (CO2-Konzentration) in der Aufenthaltszone.
  • Analyse und Bewertung der thermischen Behaglichkeit mittels PMV (vorausgesagtes mittleres Votum, Kriterium der lokalen thermischen Behaglichkeit), sowie weiteren Kenngrößen nach DIN EN ISO 7730.

PHOENICS ist das Programm mit den vielseitigsten Einsatzmöglichkeiten wie z.B. die Berechnung von Verbrennungsvorgängen und Darstellung des Verhaltens von Multifluiden, zum Beispiel Schadstoffen in der Luft, Rauchentwicklung im Brandfall etc. Die Simulation von Wärmeleitvorgängen, Wärmeübergängen, Strahlungsaustausch, Stoffaustausch und von Strömungsvorgängen ist mit den bereitgestellten Modellen, entsprechend schnelle Rechner vorausgesetzt, mit guter Genauigkeit gewährleistet. Auch transzendente Berechnungen sind bei entsprechender Prozessorgeschwindigkeit möglich.

Tageslichtsimulation

Die Berechnung des Tageslichtquotienten erfolgt nach DIN 5034. In der VDI 6020 wird ein Verfahren angegeben, mit dem es möglich ist, in der Gebäudesimulation die stündlichen Zeitpunkte für das Ein- und Ausschalten der Beleuchtung zu berechnen und damit die Auswirkungen auf den Jahresenergiebedarf für Kunstlicht, auf Raumtemperaturen und Kühllast zu bestimmen. Programm GEBSIMU

Die Berechnungen erfolgen auf Basis der Tageslichtsimulation DIALux, was den Nachweis nach der Norm EN 12464-1 für Innenräume ermöglicht.

Für präzise Ergebnisse der Beleuchtungsstärken werden die Reflexionsgrade der Wände, Böden und Decken einbezogen. Die Berechnungen werden anhand vorhandener Pläne erstellt und dienen einer detailgetreuen Nachbildung der Realität. Daraus lässt sich die spätere Lichtverteilung bereits im frühen Planungsstand planen, um eine kosteneffiziente und effektive künstliche Beleuchtungsanlage zu gewährleisten.

Regelungstechnische Simulation

Die regelungstechnische Simulation findet Einsatz bei schwierigen Regelaufgaben, z.B. RLT-Anlagen mit sehr hohen Anforderungen an die Regelgüte, Reaktionsgeschwindigkeit etc. (meist aus technologischen Gründen).

Verwendete EDV

Für die CFD – Simulation wird das Programm PHOENICS 2015 von Prof. Spalding, London verwendet, was in unserem Hause seit 25 Jahren im Einsatz ist und für zahlreiche Testfälle validiert wurde. Für die Thermisch-Energetische Simulation das Programm GEBSIMU 2016 von Prof. Rouvel. Das Programm ist validiert nach VDI 2078, VDI 6020 und ASHRAE (Standard 140), DIN EN 15265 und DIN EN ISO 13792.

Referenzen

Wolfsburger Nordkopf Tower

Fernbus Terminal Leipzig

Gesamtschule Potsdam