Thermische Gebäude- und Anlagensimulationen

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.


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Das 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.

Ebenfalls 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,
    * 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.

Strömungssimulation

Numerische Strömungssimulation - Computational Fluid Dynamics (CFD) ermöglichen eine realitätsnahe und kostengünstige Bearbeitung von Strömungstechnischen Fragestellungen mit Hilfe von Computersimulationen. Ein besonderer Vorteil dieser Technik besteht in der Möglichkeit, verschiedene Planungsvarianten und Testszenarien zu analysieren. Planungsfehler können auf diesem Weg frühzeitig erkannt und korrigiert werden.

Entsprechend der Aufgabenstellung kommen unterschiedliche Softwareprodukte zum Einsatz. Üblicherweise umfasst die Simulation vier aufeinander aufbauende Schritte:

   1. Die Geometriemodellierung
   2. Die Generierung des Rechengitters
   3. Die numerische Lösung
   4. Die Ergebnisauswertung und -darstellung

Das Ingenieurbüro Böger besitzt langjährige Erfahrungen in der Durchführung von CFD-gestützten Simulationen zur Analyse des Windkomforts oder zur Optimierung von Lüftungskonzepten.


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