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Die Simulation – Wie viel darfs denn sein? - Gartenmann

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Eine Information der Gartenmann Engineering AG
Eine Information der Gartenmann Engineering AG
Der Simulant erhitzt die Gemüter...
...die Simulation schützt vor heissen Köpfen!
Die Simulation – Wie viel darf’s denn sein?
Kaum ist der Entwurf fertig, tauchen die ersten unangenehmen Fragen auf: Welchen g-Wert hat mein System aus VorMit der dynamischen Gebäudesimulation wird das thermische Verhalten eines Raumes oder eines ganzen Gebäudes
hangglas,
Sonnenschutz
undund
Isolierglas?
Wie
viele
im JahrParameter
liegen die– Raumtemperaturen
in Belegung,
meinen Büroräuprognostiziert.
Dabei erfasst
verarbeitet
man
die Stunden
massgebenden
Bauteile, Luftwechsel,
usw.
men
über
26
°C?
Wie
warm
wird
es
in
meinem
Fassadenzwischenraum?
Ist
von
meinen
Oberlichtern
mit Kaltluftabfall
– mit der Simulationssoftware. Vor allem die Beurteilung des sommerlichen Wärmeschutzes wird immer wichtiger.
Dies
zu
Genügt
meine Tageslichtversorgung
denWärmelasten
Lichthof? Gibtvon
es Geräten
in meinem
Atrium Bereiche,
dievielleicht
nicht ausistrechnen?
auf höhere
Verglasungsanteile
und gestiegeneüber
interne
zurückzuführen
– und
reichend
durchströmt
werden? IstKlimaerwärmung!
es für mein Bürogebäude eventuell vorteilhaft, ein Glas mit etwas höherem U-Wert
auch bereits
auf die zunehmende
einzusetzen? Und so weiter …
Wichtige Einflussgrössen
Bei der dynamischen Gebäudesimulation sind die folgenden Eingabegrössen wichtig:
- Konstruktion Gebäudehülle
- Gebäudespeichermasse
- Art der Verglasung (g-Wert)
- Art und Lage des Sonnenschutzes
- Interne Wärmelasten von Personen,
Geräten und Beleuchtung
- Luftwechselrate durch Lüftungsanlage oder durch Fenster
- HLK-Systeme wie mech. Kühlung
Fallbeispiel Cartier-Gebäude
Dynamische Gebäudesimulation
Das Lexikon definiert den Begriff
Simulation folgendermassen: „Die
Simulation ist die Verstellung, insbesondere das bewusste, betrügerische
Vortäuschen von Krankheiten“. In
Technik und Wissenschaft wird dagegen unter dem Begriff die modellhafte
Die Möglichkeiten
Für viele dieser Fragen gibt es einerseits Vorschläge aus vergangenen
„ähnlichen“ Projekten, die mal mehr,
häufig weniger tatsächlich vergleichbar
sind. Andererseits gibt es moderne
Simulationstechniken. Diese erlauben
es, Gebäude, Gebäudebereiche und
Bauteile hinsichtlich ihres thermischen,
energetischen, lichttechnischen und
strömungstechnischen Verhaltens sehr
detailliert und mit grosser Genauigkeit
abzubilden. Der Einsatz dieser Werkzeuge hat sich inzwischen vorteilhaft
im Planungsprozess durchgesetzt.
Es werden zwar auch immer wieder
Nachbildung eines Systems oder eines Prozesses verstanden. Dabei wird
mit Hilfe von Simulationssoftware
das Verhalten – z. B. der Verlauf der
Raumtemperatur – dargestellt und es
können relativ einfach verschiedene
Einflussparameter verändert werden.
Simulationsergebnisse – manches mal
sicher zu Recht – in Frage gestellt. In aller Regel kann jedoch, selbstverständlich
unter der Prämisse, dass die verwendeten Randbedingungen den tatsächlichen
Gegebenheiten entsprechen, nicht nur
von einer guten relativen sondern auch
von einer guten absoluten Genauigkeit
aktueller Simulationswerkzeuge ausgegangen werden.
Betrachtet man z. B. eine thermische
Gebäudesimulation mit dem Ergebnis
„Heizwärmebedarf“ oder „Kühlkältebedarf“ muss klar sein, dass die
Beim unten abgebildeten Produktionsgebäude in Villeret (BE), das vom Architekten Jean Nouvel geplant wurde,
stand bei einem projektierten Nutzerwechsel der sommerliche wie auch der
winterlicher Wärmeschutz im Zentrum.
Das thermische Verhalten mit dem grossen Glasanteil wurde mit den neuen internen Wärmelasten mit einer Gebäudesimulation überprüft und optimiert.
ausgewiesenen Werte nicht allein von
den Annahmen zur thermischen Gebäudehülle abhängen, sondern u. a. auch
von dem verwendeten Klima, den Belegungsprofilen sowie der angesetzten
Strategien der Kunstlichtregelung und
der Anlagentechnik. Im tatsächlichen
Betrieb wird meist jede einzelne dieser
Einflussgrössen niemals genau den
rechnerischen Annahmen entsprechen.
Hieraus ist jedoch nicht zu schliessen,
dass die Simulation an sich ungenau
ist. „Ungenau“ sind in diesem Fall die
getroffenen Annahmen und2/2007
damit die
Randbedingungen der Simulation.
2/2010
30
20
[°C]
[W/m²]
25
15
20
10
15
5
10
24:00
12:00
24:00
12:00
24:00
12:00
Kälteleistung
resultierende Temperatur
In Bild 1 ist ein Beispiel für den möglichen Einfluss der Randbedingung „interne
Lasten“ auf das thermische Verhalten eines Büroraumes gegeben. Es zeigt den
Verlauf der resultierenden Temperatur und der Kühllast eines Grossraumbüros, in
welchem einmal die untere Grenze interne Lasten gemäss SIA 2024 und einmal
die obere Grenze interne Lasten angesetzt ist. Mit der unteren Grenze der internen
Lasten ist in dem betrachteten Zeitraum (praktisch) keine Kühlung notwendig, mit
hohen internen Lasten ist eine Kühlung notwendig, damit die als Führungsgrösse
verwendete Raumlufttemperatur nicht über 26 °C steigt.
0
24:00
Bild 1: Resultierende Temperatur und benötigte Kälteleistung eines Grossraumbüros. Geregelt wird die Lufttemperatur, Stellwert ist 26 °C. Gegenübergestellt sind die Fälle mit
niedrigen internen Wärmelasten (120 Wh/(m²d)) und mit hohen internen Wärmelasten
(260 Wh/(m²d)). Beide Lastfälle gemäss „Standard-Nutzungsbedingungen für die Energieund Gebäudetechnik SIA 2024:2006“.
Tabelle 1 gibt eine Übersicht über den zu erwartenden Einfluss einiger wichtiger nicht-baulichen Parameter auf das Simulationsergebnis.
Faktor
Nutzerverhalten
Fensteröffnung durch Nutzer
Bedienung Sonnenschutz
Höhe interne Lasten
Zeitlicher Verlauf interne
Lasten
Gebäudetechnik Anlagenstellung
Auswirkung
Hoch
Hoch
Hoch
Gering, Temperaturprofil
verschiebt sich
Hoch
Tabelle 1: Einfluss diverser Parameter auf das Simulationsergebnis. Diese Einflussfaktoren sind in der Regel nur über Annahmen festlegbar.
Was ist also zu tun?
Für Neubauten, bei denen keine genauen Angaben über das Nutzerverhalten existieren, empfiehlt es sich, anerkannte Nutzerprofile, wie z. B. das Niveau „Standard“
aus „Standard-Nutzungsbedingungen für die Energie- und Gebäudetechnik SIA
2024“ zu verwenden. Dies würde in o.a. Beispiel 190 Wh/(m²d) entsprechen.
Ist bereits in der Planungsphase bekannt, dass die Nutzung stark von diesen
Standard-Nutzungsbedingungen abweichen wird, so müssen seitens des Bauherren
detaillierte Informationen über das erwartete Nutzungsverhalten angegeben werden, um es in der Simulation möglichst genau abbilden zu können.
Der beste Zeitpunkt
Je früher ein Konzept anhand von
Simulationen überprüft werden kann,
desto besser. Je komplexer ein Konzept
ist – wobei die Komplexität erst auf den
zweiten Blick auffallen kann – desto
detaillierter wird möglicherweise die
notwendige Simulationstechnik sein,
um belastbare Aussagen zu dem untersuchten Verhalten machen zu können.
Ein (sehr typisches) Beispiel: Bei der
Optimierung eines hoch verglasten
Gebäudes mit grossen internen Lasten
sind teilweise widersprüchliche Anforderungen gleichzeitig zu erfüllen. Der
winterliche Wärmeschutz (behördlicher
Heizwärmebedarfsnachweis) bedingt
einen tiefen U-Wert; infolge der hohen
internen Lasten kann je nach Standort
des Gebäudes (Klima) jedoch ein höherer U-Wert in der Jahresbilanz unter
Berücksichtigung des Kühlkältebedarfes
vorteilhaft sein. Je nach Energieträger
für Wärme/Kälte kann sich das Optimum noch weiter verschieben oder auch
wieder umkehren. Die dynamische thermische Simulation ist hier das „Werkzeug
der Wahl“ und kann sehr gut zeigen,
wie sich Änderungen verschiedener
Randparameter – z. B. Gebäudehülle,
Speichermasse, Nachtlüftung, Glas/
Sonnenschutz- Eigenschaften oder auch
Stell-Werte der Sonnenschutz-Regelung
auf Heizwärme- und Kühlkältebedarf
des Gebäudes auswirken. Diese Daten
wiederum lassen mögliche Konzepte
zur Energiebereitstellung prüfen, oder es
müssen die Randparameter dahingehend
optimiert werden, dass ein gewähltes
regeneratives Konzept aufgeht.
Ein zweites Beispiel: In der Normung
werden sehr strenge Vorgaben formuliert, um Kaltluftabfall an Gläsern zu
verhindern. Raumhohe Gläser, oder
auch Gläser über mehrere Etagen
beispielsweise in Eingangsbereichen
sind jedoch häufig gewünscht. Es kann
unter Zuhilfenahme von detaillierten
Strömungssimulationen (CFD) geprüft
werden, ob im Aufenthaltsbereich
tatsächlich mit erhöhten Strömungsgeschwindigkeiten zu rechnen ist und
gegebenenfalls können Massnahmen
zur Abhilfe geprüft werden. Je früher
dies geschieht, desto wirtschaftlicher
wird in der Regel die Lösung sein.
Die Werkzeugkiste
Aufgrund der gestiegenen Rechenleistung gewöhnlicher PCs ist es grundsätzlich möglich, stets mit dem maximal grössten Aufwand zu simulieren.
Demgegenüber stehen der Zeitaufwand
für die Modellierung und die damit
verbunden Kosten.
䈀 ‫ﰀ‬爀漀最攀戀甀搀攀Ⰰ 䴀椀渀攀爀最椀攀Ⰰ 䬀 ‫ﰀ‬栀氀甀渀最 渀琀椀最㼀 圀甀渀猀 挀栀㨀 吀 攀椀氀眀攀椀猀 攀爀 嘀 攀爀稀椀挀栀琀 愀甀昀 匀 漀渀渀攀渀猀 挀栀甀琀稀
䠀愀渀搀爀攀挀栀渀甀渀最Ⰰ
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䤀猀 琀 搀椀攀 匀 瀀攀椀挀栀攀爀洀愀猀 猀 攀 最爀漀猀 猀 㼀
渀攀椀渀
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oder
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樀愀
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樀愀
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oder
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渀攀椀渀
䜀 攀渀愀甀椀最欀攀椀琀 愀甀猀 爀攀椀挀栀攀渀搀
Da die zu untersuchenden Büros von umliegenden Räumen beeinflusst werden,
wird ein Mehrzonenmodell mit gekoppelter einfacher Tageslichtsimulation verwendet. Zusätzlich dazu werden die Büros im EG noch mittels detaillierter Lichtsimulationen untersucht.
Das Ziel einer guten Simulationsberatung ist es daher, die Fragestellung mit
der kleinstmöglichen Simulationslösung
zu beantworten. Die Spannweite reicht
von einer eindimensionalen, stationären
Berechnung bis hin zu einer dreidimensionalen Strömungssimulation.
Ein Beispiel: (dynamische thermische
Simulation) Der Bauherr möchte
überprüfen lassen, ob ein Bürogebäude
mit wenig Speichermassen auch ohne
Kühlung funktioniert. Die genannte
Konstellation ist – je nach Glasanteil der
Fassade – grundsätzlich etwas kritisch.
Bei dem betrachteten Gebäude gibt
es als erschwerende Randbedingung
Büroräume und Verkehrsflächen, die
an einen hoch verglasten Lichthof angrenzen. Eine weitere Überlegung ist
es, in den an den Lichthof angrenzenden
Büros auf den externen Sonnenschutz
zu verzichten.
Tageslichttechnisch sind die Büros,
die im EG an den Lichthof angrenzen,
kritisch. Der (vereinfacht dargestellte)
Ablauf einer Entscheidungsfindung,
welche Art der Simulation in welchem
Umfang benötigt wird, kann damit
folgendermassen aussehen:
Bild 3: Büros angrenzend an den Lichthof
Bild 3 zeigt links die Situation eines exemplarischen Lichthofes. Rechts ist der
Blick aus einem EG-Büro in den Lichthof abgebildet. Es werden nur die für die
Simulation des Raumes relevanten Bauteile gezeigt.
Bild 4: offene Bibliothek
Bild 4 zeigt ein Beispiel einer Raumströmungssimulation; links die Raumsimulation, rechts ein Schnitt durch ein momentanes Strömungsfeld.
Bild 5 zeigt die Raumtemperatur in einem Büro im obersten Geschoss, das mit der
nach Osten orientierten Fassade an den Lichthof angrenzt. Die Aussentemperaturen
sind in dieser Zeit gemässigt und liegen bei max. 22 °C. Wird der Raum ohne Sonnenschutz und Kühlung betrieben, so steigen die Raumtemperaturen am 4.7 und am
5.7. auf über 35 °C. Der Einsatz eines aussen liegenden Sonnenschutzes senkt die
Spitzentemperaturen im Raum auf 30 °C. Erst mit einer Kombination aus Kühlung
und aussen liegendem Sonnenschutz bleibt die resultierende Raumtemperatur im
gewünschten Bereich.
40
[°C]
35
Beispiel: Eine Tageslichtautonomie von
70 % an einem Arbeitsplatz mit einer
Nutzung zwischen 8 und 18 Uhr und
einer geforderten Beleuchtungsstärke
von 500 Lux bedeutet, dass der Nutzer
70 % des Jahres mit Tageslicht arbeiten
kann. Anzustreben sind grundsätzlich
hohe Werte. Bei tageslichttechnisch
vorteilhaft gestalteten Räumen nimmt
die Tageslichtautonomie in der Raumtiefe nicht steil ab, sondern weist auch
bis zu einer Raumtiefe von 4-5 m noch
Werte > 40 % auf.
Fazit
Simulationen sind ein wirksames Instrument zur Untersuchung thermischer,
energetischer, lichttechnischer und strömungstechnischer Fragestellungen. Je
präziser die Fragestellung eingegrenzt
werden kann, desto besser kann die
Auswahl des richtigen Werkzeuges
erfolgen. Bei umfassenden Gebäudebetrachtungen (dynamische thermische
Simulation, Tageslichtautonomie) ist
ein wesentlicher Punkt das Bestimmen
der Rahmenbedingungen der Nutzung,
damit die Fragestellung in den Simulationen richtig abgebildet werden kann.
resultierende Temperatur
30
25
20
15
10
5
1.7.
2.7
3.7.
4.7.
5.7.
Bild 5: Resultierende Temperaturen im obersten Geschoss. Der Raum grenzt mit einer
hoch verglasten Fassade nach Osten an den Lichthof an. Die „unruhigen“ Temperaturverläufe ohne Kühlung sind auf die rasche Reaktion des Raumes (geringe Wärmespeicherfähigkeit) auf Änderungen der Solarstrahlung zurückzuführen.
100
Tageslichtautonomie, DA [%]
80
Wir bei GaE begreifen die Eingrenzung
und richtige Abbildung der Fragstellung
als Bestandteil des Auftrages. Wir sind
davon überzeugt, dass wir mit diesem
„massgeschneiderten“ Vorgehen die
bestmögliche Unterstützung bei der
Entwicklung einer funktionierenden
und wirtschaftlichen Lösung bieten
können.
60
40
20
0
0
1
2
3
4
5
6
7
Abstand von der Fassade [m]
Bild 6: Tageslichtautonomie im obersten Geschoss und im Erdgeschoss. Der Raum grenzt
mit einer hoch verglasten Fassade an den Lichthof an.
Bild 6 zeigt die Tageslichtautonomie für unterschiedliche Nutzermodelle im untersten
(EG) und obersten (4. OG) Geschoss der an den Lichthof angrenzenden Büros. Der
aktive Nutzer betätigt die elektrische Beleuchtung und den aussen liegenden Sonnenschutz, gemäss dem Tageslichtangebot. Der passive Nutzer lässt die Jalousie halbgeschlossen und schaltet die elektrische Beleuchtung morgens ein. Die Tageslichtautonomie stellt den Prozentsatz der jährlichen Gebäudenutzungsstunden dar, an denen die
Beleuchtungsanforderung (z. B. 500 Lux) allein durch Tageslicht gedeckt werden kann.
Caroline Hoffmann Achim Geissler
Dr.-Ing. Architektur Dr.-Ing. Bauphysik
Gartenmann Engineering AG
Nordring 4A, 3013 Bern
St. Jakobs-Strasse 54, 4052 Basel
Technoparkstrasse 1, 8005 Zürich
Avenue d‘Ouchy 4, 1001 Lausanne
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2/2010
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