Thermisch-energetische Gebäudesimulation GEBSIMU
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Bei der Applikation GEBSIMU handelt es sich um ein Programm zur thermisch-energetischen Gebäudesimulation, mit dessen Hilfe der Einfluss aller wesentlichen Parameter auf das thermisch-energetische Verhalten eines Raumes bzw. eines Gebäudes simuliert werden kann. Die Zielsetzung von GEBSIMU besteht darin, den Leistungs- und Energiebedarf für ein Gebäude oder eine haustechnische Anlage - zur Raumheizung, zur Raumkühlung, zur Klimatisierung und zur Beleuchtung - zu berechnen und durch die Variation der verschiedenen Parameter zu minimieren. Weiterhin können die erwartbaren Raumtemperaturen bei unterschiedlicher Bauweise und unterschiedlichen technischen Anlagen ermittelt werden. Die Einflussparameter, die bei dieser Simulation berücksichtigt werden, umfassen die Gebiete - Umwelteinflüsse am Standort, - Bauweise und Bauphysik, - verwendeten haustechnischen Anlagen und energetischen Systeme sowie - Nutzerverhalten. Mittels der rechnergestützten Simulation ist es möglich, die Auswirkungen der Einflussgrößen quantitativ zu erfassen und eine Vielzahl an Variationsmöglichkeiten zu berücksichtigen. Die thermisch-energetische Gebäudesimulation GEBSIMU ist ein Programmsystem, das eine voll instationäre Berechnung des thermisch-energetischen Raumverhaltens unter Einbezug des Speicherverhaltens der Raumumschließungsflächen incl. deren Schichtaufbau durchführt.Zur Ermittlung des Jahresganges und des Jahresbedarfs werden die meteorologischen Daten entweder mit dem Referenzjahr-Verfahren (Testreferenzjahr TRY) oder, wenn dies nicht verfügbar ist, mit dem Tagesgangverfahren nach DIN 4710 berücksichtigt. Für die Auslegungsverhältnisse im Sommer und Winter werden extreme Wetterperioden in Anlehnung an die Angaben in VDI 2078 und DIN EN 12831 unter Einbezug der DIN 4710 zugrunde gelegt.
GEBSIMU Simulationskonzept GEBSIMU besteht im Kern aus drei Berechnungsprogrammen
Diese drei Programme sind in der Programmiersprache FORTRAN entwickelt und unter der MS-WINDOWS-Oberfläche in der Applikation GEBSIMU zusammengefasst sind.Jedes der drei Programme benötigt für einen Simulationslauf zusätzlich zu den speziellen Eingabe-Dateien für jedes Programm eine Testreferenzjahr-Datei, eine Direktzugriffs-Datei und - wenn eine Zwischenklimazone wie Wintergarten, Atrium u.ä. betrachtet werden - spezielle Dateien mit den berechneten Werten für das Raumklima in dieser Zwischenklimazone. Das Zusammenwirken der einzelnen Komponenten wird mit der folgenden Grafik verdeutlicht.
Das GEBSIMU Simulationskonzept
RO 101 (thermisch-energetische Gebäudesimulation)
Das Programm RO 101 berechnet die Heiz- und Kühllast eines Raumes bzw. eines Raumtyps. Darunter versteht man in Anlehnung an VDI 2078 die thermische Leistung, die zu einem bestimmten Zeitpunkt einem Raum zugeführt bzw. aus einem Raum abgeführt werden muss, um eine vorgegebene Raumtemperatur einhalten zu können.Entsprechend lässt sich auch die erwartbare Raumtemperatur ermitteln, wenn die thermische Leistung vorgegeben bzw. begrenzt wird. Da ein Gebäude aus mehreren Raumtypen, wie z.B. Mittelräumen, Eckräumen, Dachräumen oder Innenräumen besteht, ist die Berechnung der Lasten entsprechend oft durchzuführen. Dabei werden alle vorhandenen Zonen, d.h. alle Räume des gleichen Raumtyps, mit unterschiedlicher Sonneneinstrahlung in jeweils eine Berechnung miteinbezogen ( jeweils ein Raumtyp ). Das können Räume sein, die sich in ihrer Ausrichtung in Bezug auf die Himmelsrichtung unterscheiden oder die, auf verschiedenen Stockwerken gelegen, auf Grund eines Nachbargebäudes oder wegen eines Berges in der näheren Umgebung nicht die gleiche Menge an Sonneneinstrahlung erhalten. In den für einen Raum ermittelten Heiz- und Kühllasten sind folgende Einflüsse berücksichtigt: - Außenklima - Raumklima - Bauweise und Bauphysik - äußere und innere Wärmelasten - Nutzungsanforderungen - Luftwechsel durch die Fensterfugen und durch geöffnete Fenster - Art der haustechnischen Anlage
Berechnungsmodell für die Heiz- und Kühllast eines Raumes bzw. eines Raumtyps:
n-Kapazitäten-Modell (n-K-Modell) nach GEBSIMU : Das n-Kapazitäten-Modell ist abgeleitet aus der Differentialgleichung für die Wärmeleitung. Wie von Beuken bereits 1936 mit dem sogenannten "Beuken-Modell" gezeigt wurde, lässt sich aus der Analogie zwischen der Differentialgleichung der Wärmeleitung und den Vorgängen in einem idealisierten elektrischen Kabel ein detailliertes elektrisches Modell für instationäre thermisch-energetische Vorgänge in Bauteilen und Räumen herleiten. Daraus ist von ROUVEL (siehe Literatur [1] , [2] und [3]) eine elektrische Ersatzschaltung (Ersatz-Modell)l für das thermisch-energetische Verhalten von Bauteilen mittels einer diskreten RC-Schaltung hergeleitet worden. Dieses Verfahren ist auch in die europäische Normung (DIN EN 13 786) aufgenommen. Das thermisch-energetische Verhalten jedes Bauteils im Raum wird dabei durch je zwei "Ersatz-Kapazitäten" sowie drei "Ersatz-Widerstände" beschrieben. Diese lassen sich je Art des Bauteils zu einer "Ersatz-Kapazität" und zwei "Ersatz-Widerständen" zusammenfassen. Die einzelnen Bauteile des Raumes werden dann zu einem n-Kapazitäten-Modell (n-K-Modell) zusammen geschaltet. Dieses n-K-Modell zeigt nach den Testberechnungen zu VDI 6020 [14] die beste Übereinstimmung mit dem detaillierten Beuken-Modell (siehe Literatur [4]), auch gegenüber Programmen nach den unterschiedlichen Differenzenverfahren. Das n-Kapazitäten-Modell nach GEBSIMU erfüllt alle Anforderungen nach VDI 6020, VDI 2078, ASHRAE 140 (BESTEST) und DIN EN ISO 52016-1
2-Kapazitäten-Modell (2-K-Modell) nach VDI 6007-1 [11]: Die diskrete analytische Lösung mittels des 2-K-Modells stellt eine zulässige und ausreichend genaue Vereinfachung des n-K-Modells dar (siehe Literatur [4] und [5]). Alle Außenflächen (einschließlich der Flächen zu anders temperierten Nebenräumen) werden zusammengefasst und durch eine RC-Schaltung beschrieben. Entsprechend werden auch alle Innenflächen (Flächen zu Nebenräumen mit gleichen thermisch-energetischen Verhältnissen) zu einer RC-Schaltung zusammen gefasst. Das 2-K-Modell zeigt nach den Testberechnungen zu VDI 6020 sehr gute Übereinstimmung mit dem detaillierten Beuken-Modell. Das 2-Kapazitäten-Modell nach VDI 6007-1 erfüllt die Anforderungen nach VDI 6020, VDI 2078, ASHRAE 140 (BESTEST) und DIN EN ISO 52016-1.
Weitere Informationen zum GEBSIMU-Berechnungsverfahren und zur GEBSIMU-Validierung über Download:
GEBSIMU Berechnungsverfahren für 2-K-Modell
GEBSIMU Validierung VDI 6007-1 GEBSIMU Validierung ASHRAE 140 GEBSIMU Validierung DIN EN ISO 52016-1 GEBSIMU Validierung Flächenkühlung GEBSIMU Validierung Nachbarraum GEBSIMU Konformitätserklärung zur VDI 6020 GEBSIMU Konformitätserklärung zur VDI 2078
Das Programm RO 102 (thermische und energetische Analyse)
Mit dem Programm RO 102 - Folgeprogramm von RO 101 - werden sowohl für Heizungsanlagen als auch für raumlufttechnische Anlagen die erwartbaren Raumtemperaturen hinsichtlich maximal erwartbarer Werte, Tagesgang, Häufigkeitsverteilung und Übertemperaturgradstunden analysiert (Sommerlicher Wärmeschutz und Bewertung des sommerlichen thermischen Raumklimas) . Bei Anlagen ohne Klimatisierung - also in der Regel bei reinen Heizungsanlagen - werden im Folgeprogramm RO 102 die ermittelten Heiz- und Kühllasten der einzelnen Räume unter Berücksichtigung der Häufigkeit ihres Vorkommens zeitgleich aufsummiert.
Die Ergebnisse werden auch grafisch ausgewertet.
Das Programm RO 134 (Anlagensimulation)
Bei Gebäuden mit Klimaanlagen oder mechanischen Lüftungen berechnet das Programm RO 134 ausgehend von den Heiz- und Kühllasten der einzelnen Räume ( RO 101 ) die erforderlichen Zuluftmengen und den Bedarf für das Heizen, Kühlen, Befeuchten und Entfeuchten der Zuluft.Dabei werden die Anforderungen und Auswirkungen unterschiedlicher Anlagensysteme, Anforderungen an das Raumklima und die Regelstrategie berücksichtigt. Unter Einbeziehung verschiedener Möglichkeiten zur Energierückgewinnung kann der Wärme- und Kältebedarf sowie der Beleuchtungs- und Ventilarorstrombedarf für das Gebäude bzw. die raumlufttechnische Anlage ermittelt werden. Die Ergebnisse werden auch grafisch ausgewertet.
Die Eingabe-Dateien für die einzelnen Berechnungsprogramme RO 101, RO 102 und RO 134 enthalten die für die Simulationsläufe nötigen Daten und liegen im ASCII Format vor.Die Erstellung der Eingabe-Dateien erfolgt vom Benutzer mit Hilfe der Eingabemasken der GEBSIMU -Oberfläche.In diesen Eingabe-Dateien sind auch die bereits erwähnten Rückkopplungen zwischen Gebäudesimulation und Anlagensimulation implementiert. Diese Kopplung ist beispielsweise für Leistungsbegrenzung, Regelungsstrategien, zeitweises Abschalten von Anlagen und Anlagenfunktionen, Vorgaben von Zuluftmengen und Zuluftzuständen u.v.m. gegeben.
Jedes der drei Programme RO 101, RO 102 und RO 134 erzeugt eine Text-Datei, in der die Ergebnisse einer Berechnung gespeichert werden.Weiterhin können die Ergebnisse von allen drei Programmen jeweils in eine Excel-Datei geschrieben werden. Damit ist eine individuelle Weiterbearbeitung der Ergebnisse möglich. Zusätzlich zu den Text-Dateien wird von den Programmen RO 102 und RO 134 jeweils eine Grafik-Datei erzeugt.
Eine Testreferenzjahr-Datei enthält alle für die Simulation relevanten meteorologischen Daten eines Ortes bzw. eines Gebietes über ein typisches Jahr als Stundenwerte mit 8760 Stunden pro Jahr. Die Kennwerte für die Testreferenzjahre des Deutschen Wetterdienstes DWD sowie von Meteonorm für das Gebiet der BRD sind bereits in GEBSIMU implementiert.Weiterhin sind in GEBSIMU die Klimadaten für die Auslegungsverhältnisse im Sommer und Winter enthalten.
Ein Simulationslauf mit dem Programm RO 101 bezieht sich immer auf einen einzelnen Raum,Raumtyp oder nur auf einen Teil eines Raumes. Die Programme RO 102 und RO 134 sind Folgeprogramme von RO 101 und summieren die Heiz- und Kühllast mehrerer Räume bzw. liefern Ergebnisse, die sich auf das gesamte Gebäude bzw. auf eine haustechnische Anlage beziehen.Dazu benötigen diese Folgeprogramme Ergebnisdaten vom Programm RO 101, die in der Direktzugriffs-Datei abgelegt sind. In einer Berechnungsserie werden in dieser Datei nach jedem Simulationslauf mit dem Programm RO 101 mit dem bereits bestehenden Dateiinhalt verkettet.Die Direktzugriffs-Datei beinhaltet somit auch Informationen über eine Folge von Berechnungen.
Spezielle Dateien für Zwischenklimazonen
Speziellen Dateien werden erzeugt, wenn es sich bei dem Raum, der mit GEBSIMU simuliert werden soll, um eine Zwischenklimazone (Wintergarten, Atrium o.ä.) handelt. Die Ergebnisse über das Klima in dieser Zwischenklimazone werden während des Simulationslaufes in diesen Dateien abgespeichert.Wenn im weiteren Verlauf der Gebäudesimulation ein Raum betrachtet wird, der hinter dieser Zwischenklimazone liegt, greift GEBSIMU auf diese Dateien automatisch zu.
Grundlagen für den Ablauf einer Gebäudesimulation
Eine Eingabe-Datei für das Programm RO 101 enthält Daten für die Berechnung der Heiz- und Kühllasten eines Raumes bzw. eines Raumtyps. Dabei werden alle Räume gleichen Raumtyps,aber unterschiedlicher Sonneneinstrahlung ( sogenannte "Zonen" ) in einer Berechnung ( ein Raumtyp ) zusammengefasst. Maximal 99 Raumtypen können berücksichtigt werden, die jeweils wieder bis zu 9 Zonen aufweisen können. Typische Räume ( Raumtypen, Raumzellen oder Module ) sind beispielsweise : - Mittelraum in einem Zwischengeschoss - Eckraum in einem Zwischengeschoss - Mittelraum unter dem Dach (Dach-Mittelraum) - Eckraum unter dem Dach (Dach-Eckraum) - Mittelraum im Erdgeschoss (EG-Mittelraum) - Eckraum im Erdgeschoss (EG-Eckraum) - .... Unter dem Begriff Zone (Zone 1 bis max. 9) wird eine Variation eines Raumes ( eines Raumtyps, einer Raumzelle oder eines Moduls ) verstanden, bei dem folgende Eigenschaften gleich sind : - Art und Größe der Raumumschließungsflächen - wärmetechnischer Aufbau der Raumumschließungsflächen - Fensterart und -größe - Wärmedurchgangszahl der Fenster - Fensterlüftung - Nutzung - Personenbelegung - elektrische Anschlussleistung der Beleuchtung - innere Wärmequellen - Art und Regelung der haustechnischen Anlage Folgende Eigenschaften können unterschiedlich sein : - Sonnenschutzmaßnahmen - Himmelsrichtung - Beschattung der Außenwände und Fenster Typische unterschiedliche Zonen eines Raumes ( Raumtyp, Raumzelle oder Modul ) sind beispielsweise : - Raumtyp: Mittelräume in einem Zwischengeschoss mit folgenden Varianten . o Süd o Süd-West o West o .... o Süd verschattet von Ost her o Süd verschattet von West her o .... o .... o Süd im 1. OG o Süd im 5. OG o .... o Nord-Ost mit Sonnenschutz o Nord-Ost ohne Sonnenschutz o ... Beim Programm RO 101 ist daher eine feste Reihenfolge für den Start der einzelnenBerechnungen ( Raumtypen ) vorgeschrieben. Das bedeutet, dass zuerst der Simulationslauf mit der Eingabe-Datei für die erste Berechnung ( Raumtyp ) gestartet werden muss, bevor dann ein Simulationslauf für die zweite, dritte ... Berechnung durchgeführt werden kann. Die Applikation GEBSIMU wird es daher unterbinden, dass in einer Berechnungsserie zuerst ein Simulationslauf mit der Berechnung ( Raumtyp ) Nr. 2 gestartet, ohne ein Ergebnis von derBerechnung ( Raumtyp ) Nr.1 vorliegen zu haben. Die Einhaltung der Reihenfolge ist erforderlich, damit in den Folgeprogrammen RO 102 undRO 134 eine eindeutige Zuordnung zu den Eingabedaten gegeben ist.Die Programme RO 102 und RO 134 sind Folgeprogramme von RO 101 und summieren über mehrere Räume gleichen oder unterschiedlichen Raumtyps. Sie liefern Ergebnisse, die sich auf das ganze Gebäude oder auf einzelne Anlagen beziehen.Diese Restriktionen über die Reihenfolge beim Start von Simulationsrechnungen einer bestimmten Berechnungsserie werden automatisch beim Programmablauf von GEBSIMU durch ein GEBSIMU-MAKRO beachtet.
Thermisch-energetische Gebäudesimulation GEBSIMU
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