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OKAMEX
Ingenieurbüro

Energiesimulation, Gebäudesimulation

Bild Gebäudesimulation Energiebilanz
Bild Gebäudesimulation Temperaturverlauf Behaglichkeit
Bild Anlagensimulation Jahresgang Temperaturen
Bei der Energiesimulation geht es normalerweise darum, Temperatur- und Feuchteverläufe sowie Energieströme an Produkten, Gebäudebauteilen, einzelnen Räumen, ganzen Gebäuden oder Quartieren möglichst realitätsnah abzubilden und je nach Aufgabenstellung über einen längeren Zeitraum – typischerweise ein Jahr – zu berechnen. Das zu betrachtende Objekt wird dabei in eine oder mehrere Zonen unterteilt. Für jede Zone wird ein Knotenmodell erstellt, das die bauphysikalischen Kennwerte der eingesetzten Materialien enthält und mittels dem die auftretenden Wärmeströme durch Konvektion, Wärmeleitung und Strahlung nachgebildet werden. Speichervorgänge werden ebenfalls berücksichtigt. Auf eine hochaufgelöste, möglichst exakte Abbildung der realen Geometrie wie bei der CFD-Simulation wird dabei verzichtet. Auf diese Weise lassen sich Temperaturen sowie Stoff- und Energieströme in Bauteilen, Räumen und Raumumschließungsflächen abhängig von veränderlichen Randbedingungen (z.B. Verläufe von inneren Lasten durch die Gebäudenutzung, Witterungsverlauf über einen wählbaren Zeitraum) sehr realitätsnah berechnen.

Neben der klassischen dynamischen Gebäudesimulation können mit diesem Simulationsansatz auch Anlagen zur Strom-, Wärme- und Kälteversorgung sowie zur Lüftung und Klimatisierung von Gebäuden modelliert (Anlagensimulation) und für sich oder in Kombination mit einzelnen Räumen, Gebäuden oder Quartieren betrachtet werden (kombinierte Gebäude- und Anlagensimulation).

Mittels der Energiesimulation lassen sich Gebäude, Anlagen, einzelne Anlagenkomponenten oder auch Regelungskonzepte bereits im Entwurfsstadium untersuchen, vergleichen und optimieren. Dies ist in vielen Fällen kostengünstiger als entsprechende experimentelle Untersuchungen und in den allermeisten Fällen kostengünstiger als aufwändige Messungen und Nachbesserungen am ausgeführten Objekt.

Dynamische Gebäudesimulation

Bild Anlagensimulation Energiebedarf
Bild Gebäudesimulation Lastverlauf
Bei der dynamischen Gebäudesimulation wird das zu betrachtende Gebäude in sogenannte thermische Zonen unterteilt oder es wird im einfachsten Fall nur ein Raum (= eine Zone) betrachtet. Diese Zonen stellen einzelne Räume oder Raumgruppen dar, die in etwa gleiche Randbedingungen wie Wandaufbau, Verglasung, innere Lasten etc. besitzen. Für jede dieser Zonen wird ein repräsentativer Luftknoten (ggf. auch mehrere) definiert, der die thermische Kapazität des Zonenvolumens besitzt. Für jeden Knoten werden die wirksamen Wärmeströme bilanziert. Dadurch erfolgt die Verknüpfung der Knoten mit den Zonenhüllflächen, mit inneren Lasten und mit den vorhandenen Nachbarknoten. Der Strahlungsaustausch zwischen den Zonenhüllflächen und vorhandenen inneren Wärmequellen und auch der Wärmeeintrag durch solare Einstrahlung werden dabei separat berücksichtigt. Die Strahlung wird auf den Zonenhüllflächen absorbiert und wirkt von dort mittels Konvektion auf den Luftknoten. Parallel zur thermischen Bilanz wird auch eine Feuchtebilanz am Luftknoten durchgeführt. Die Wandaufbauten und die Verglasungen der Zonenhüllflächen können sehr detailliert definiert werden.

Die Berechnung erfolgt in beliebig fein wählbaren Zeitschritten, wobei beispielsweise folgende zeit- oder ereignisabhängigen Vorgänge berücksichtigt werden können:


Als Ausgangsgrößen können u.a. berechnet werden:


Dynamische Anlagensimulation

Die dynamische Anlagensimulation kann in Kombination mit der Gebäudesimulation oder für sich allein durchgeführt werden. Dabei werden die zu untersuchenden Anlagen der technischen Gebäudeausrüstung (Anlagen zur Beheizung, Lüftung, Klimatisierung und Stromversorgung von Gebäuden) mit verfügbaren Komponentenmodulen abgebildet. Bei Bedarf können auch neue Komponentenmodule entwickelt und verwendet werden. Die Berechnung erfolgt analog wie bei der Gebäudesimulation. Als Randbedingungen können dabei wie bei der Gebäudesimulation Witterungsdatensätze sowie Steuer- und Regelungskonzepte für die zu untersuchenden Anlagen verwendet werden.

Die dynamische Gebäude- und Anlagensimulation wird zur Ermittlung von Gebäude- und Anlagenkennzahlen (Energiebedarfswerte, Aufwandszahlen, Heiz- und Kühlleistungen, Temperaturverläufe, z.B. Maximaltemperaturen im Sommer, Häufigkeit von Temperaturen, Raumklima, Behaglichkeitssituation u.a.) über bestimmbare Zeiträume (z.B. ein Jahr) und abhängig von wählbaren Klimata eingesetzt.

Aufgrund des gegenüber der Strömungssimulation erheblich geringeren Rechenaufwandes lassen sich mit bei der thermischen Gebäude- und Anlagensimulation ohne weiteres längere Zeiträume abbilden. So können auf einfache Weise saisonale (nur Heizperiode oder nur Hitzeperiode) oder ganzjährige Betrachtungen durchgeführt werden. Neben der Berechnung von Temperaturen und Energiebedarfswerten können so auch beispielsweise Regelungskonzepte untersucht und optimiert werden.

Ihr Nutzen: Das bieten wir Ihnen

Ihr Nutzen ist die reproduzierbare Überprüfung und Bewertung der Eigenschaften von Gebäuden, Anlagen und Komponenten sowie von Betriebs- und Regelstrategien bereits vor dem Bau, der Sanierung oder der Installation. Unterschiedliche Konzepte (Gebäude, Anlage, Steuerung und Regelung) können auf kostengünstige Weise "durchgespielt", verglichen und bei Bedarf optimiert werden. Die Einhaltung von gesetzlichen Vorgaben (z.B. sommerlicher Wärmeschutz) und wichtige Auslegungsparameter für Heiz- und Kühlflächen (z.B. Vorlauftemperaturen für Bautteilaktivierung) können bereits in der Planungsphase überprüft und optimiert werden. Ihre Investitionen werden ökonomisch und ökologisch optimiert und damit abgesichert. Ihre Anforderungen werden auf diese Weise optimal erfüllt.