Planungssicherheit und Entwurfsverständnis mit

Gebäudesimulation

Geschichte von EQUA

• 1990 am Institut für angewandte Mathematik, KTH Stockholm• Seit 1995 entwickelt durch EQUA Simulation AB, Stockholm• Ca. 2000 in die Schweiz importiert durch die Hochschule Luzern• 2010 im deutschsprachigen Raum vertreten durch EQUA Solutions

Geschichte von mir

• Studium konstruktiver Ingenieurbau• 1996 nach Großbritannien „ausgewandert“ um Gebäudesimulation

zu lernen• Masterarbeit und Doktorarbeit• Arbeiten in Ingenieur in Architektur- und Ingenieurbüros• Mit Schwenker über Schweden kürzlich Rückkehr in den

deutschsprachigen Raum

Planungssicherheit

Ihr Wochenendausflug

• Ignorieren Sie den Wetterbericht?• Oder planen Sie mit der Vorhersage?

Planungssicherheit dank Simulation

Planungssicherheit dank Simulation I

Planungssicherheit dank Simulation II

Planungssicherheit dank Simulation III

Ein möglicher Einwand

Die Simulation von Bauprojekten ist viel zu komplex, weil ja jedes Gebäude anders

ist!

Eine mögliche Antwort

Genau das ist der Punkt!

Was für Unsicherheiten gibt es?

• Beispiel Kühllastberechnung nach VDI 2078– Kurzverfahren– EDV-Verfahren

Beim Kurzverfahren wird vernachlässigt• Unterschiedliche/zeitveränderlicher Sollwert für Raumlufttemperatur• Beschattung der Fenster und Außenwände (wandernde Schatten)• Beliebige Betätigung des Sonnenschutzes• Unterschiedliche Anlagenbetriebszeiten, kein 24 Stunden Betrieb• Anfahrtspitzen• Raumlufttemperatur außerhalb Anlagenbetriebszeiten• Raumlufttemperatur bei begrenzter Kühlleistung der Anlage• Wärmespeicherfähigkeit des Gesamtraums• Unterschiedliche Konvektiv- und Strahlungsanteile von Lasten

Wie kompliziert ist eine Simulation? Früher ...

Wie kompliziert ist eine Simulation? Heute...

Aufwand einer Simulation

• Beschaffung Grundlagen– Unter Umständen mehrere Tage– Ein großer Teil der Grundlagen muss allerdings für vereinfachte

Berechnungen sowieso ermittelt werden

• Erstellen des Modells– Je nach Qualität und Vollständigkeit der Grundlagen ½ - 3 Tage

• Eingabekontrolle– Wichtige und lohnende Investition

Genauigkeit und einfache Bedienung “unter einem Dach”

Jahr: 2010

0. 1000. 2000. 3000. 4000. 5000. 6000. 7000. 8000.Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jan

-5.

0.

5.

10.

15.

20.

25.

30.

Q = C x T‘Q = C x T‘

Vom Forschungstool zum Planungstool

CAD ging vor 20 Jahren denselben Weg

Die Welt ist dynamisch, nicht statisch!

Jahr: 2010

0. 1000. 2000. 3000. 4000. 5000. 6000. 7000. 8000.Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jan

-5.

0.

5.

10.

15.

20.

25.

30.

Unterschiedliche Benutzerebenen

• Formularebene– Regelmäßig benötigte Berechnungen – Effizientes und schnelles Arbeiten

• Modellebene– Voller Zugriff auf Modell– Beliebig editieren und modifizieren– Mehr Freiheit, höhere Benutzeranforderungen

• Entwickler– Erstellen eigener Module

Validierungen

TCell

TCeiling

TFloor

TNorth/East/West

PCooling

TAmbient

IDirectNormal

IDiffuseHorizontal

Cooling Power, 23rd - 25th OctoberWatts

0.0

100.0

200.0

300.0

400.0

500.0

600.0

700.0

800.0

900.0

1000.0

Hour of Year7110. 7115. 7120. 7125. 7130. 7135. 7140. 7145. 7150. 7155. 7160. 7165. 7170. 7175. 7180.

Experimental Lower Limit, Experimental Cooling Power[1], Experimental Upper Limit, Simulated Cooling Power, Sun Elevation, (*5) Deg

Validierungen

EN 15265 RADTEST BESTEST ASHRAE 140CEN 13791 EN 15255 EN 15265

Planungssicherheit dank Simulation

Entwurfsverständnis

Simulationsgrundlagen• Wetterdaten

– Temperatur, Wind, Solar, Feuchte– Jahres-Datensätze– Extreme Perioden

• Standort– Lage– Beschattende Objekte

Simulationsgrundlagen (Fortsetzung)• Gebäude

– Zonierung– Wand-, Dach-, Bodenaufbauten– Fenster/Verglasungen– Sonnenschutz– Wärme- / Kältebrücken– Infiltration / Luftdichtheit

• Nutzung– Interne Lasten– Sollwerte / Regelungsstrategien

Beispiele für Gebäudedarstellung

Beispiele für Gebäudedarstellung

Ingenieurdaten und Visualisierung

Anlagentechnik

• Lüftungsgerät• Wärme- und Kälteerzeugung• Wärme- und Kältespeicherung

Lüftungsgerät – Nur Zuluft

Lüftungsgerät – Systemtyp aussuchen

Wärmeüberträger – Variablen im Detail

Lüftungsgerät - Standard

Lüftungsgerät - Verdunstungskühlung

Lüftungsgerät - Entfeuchtung

Lüftungsgerät – eigenes Konzept!

40

Wärme- und Kälteerzeugung

41

Wärme- und Kälteerzeugung

Regelungsstrategien - Lüftungsanlage

Regelungsstrategien - Fenster

Simulationsserie um das Passivhaus

Heizenergiebedarf Passivhaus

11

Mit Wärmebrücken

11

Mit Wärmebrücken

11 15

Kein Lüftungsgerät

11 15

Kein Lüftungsgerät

11

75

15

Normale Wärmedämmung

11

75

15

Normale Wärmedämmung

11

75

15

108

Mit Lüftungsgerät

11

75

15

108

Mit Lüftungsgerät

11

75

15

108

33

Passivhaus – monatliche Energiebilanz

Passivhaus - Lüftungsanlage

Wärmebilanz in ZoneDatum: 2010-02-10

W

-500.

-400.

-300.

-200.

-100.

0.

100.

200.

300.

400.

500.

960. 962. 964. 966. 968. 970. 972. 974. 976. 978. 980. 982. 984.

0 2 4 6 8 10 12

Wärme von WärmebrückenWärme von Wänden und Zwischendecken, Wärme von Tageslicht (direkte SolarstrahlunWärme von elektrischen Geräten, WWärme von lokalen Heiz/Kühlelementen, WWärme von Fensterflächen (inkl. absorbierteWärme von Kunstlicht, WNettoverlustWärme von Personen (inkl. latente), W

Wärme von Luftströmen

Wärmebilanz in ZoneMonat: Januar 2010

ExtWall_3.QA, WIntCeiling.QA, WIntCeiling.QB, WLEAK.QBRIDGE, WLEAK.QS21, WNMFZONE.QCVOCC2ZONE, WNMFZONE.QLITE, WNMFZONE.QLWEQUIP2ZONE, WNMFZONE.QCVEQUIP2ZONE, WNMFZONE.QLOCALUNIT[1], WNMFZONE.QLOSS, WNMFZONE.QCDINT2ZONE, WNMFZONE.QLWOCC2ZONE, WSUPPLY.QS12, WWindow_1.QTRANSM, WWindow_1.QSOLAR, WWindow_2.QTRANSM, WWindow_2.QSOLAR, W

0. 100. 200. 300. 400. 500. 600. 700.

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25

-400.

-200.

0.

200.

400.

600.

800.

Sommerliche Wärmeschutz – DIN EN 15251 • Zwei Räume• Identische Raumgeometrien• Konstante Belüftung ohne Kühlung• Der zweite Raum hat:

• Keine angehängten Decken• Externen Sonnenschutz

• 15251 ist enthalten in DGNB Nachweis

Raum ohne AnpassungLetzter Tag der Simulation: 2010-06-08

10.

12.

14.

16.

18.

20.

22.

24.

26.

28.

30.

32.

34.

3792. 3794. 3796. 3798. 3800. 3802. 3804. 3806. 3808. 3810. 3812. 3814.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

7322

IV (Unacceptable)III (Acceptable)II (good)I (best)

No. of hoursComfort category

Ope

rativ

e te

mpe

ratu

re [°

C]

Raum mit AnpassungLetzter Tag der Simulation: 2010-06-08

10.

12.

14.

16.

18.

20.

22.

24.

26.

28.

30.

32.

34.

3792. 3794. 3796. 3798. 3800. 3802. 3804. 3806. 3808. 3810. 3812. 3814.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24

01064

IV (Unacceptable)III (Acceptable)II (good)I (best)

No. of hoursComfort category

Ope

rativ

e te

mpe

ratu

re [°

C]

W

-3500.-3000.-2500.-2000.-1500.-1000.-500.

0.500.

1000.1500.2000.2500.3000.3500.

Wärmebilanz in ZonenW

-3500.-3000.-2500.-2000.-1500.-1000.-500.

0.500.

1000.1500.2000.2500.3000.3500.

Wärme von WärmebrückenWärme von Wänden und Zwischendecken, WWärme von Tageslicht (direkte Solarstrahlung), WWärme von elektrischen Geräten, WWärme von lokalen Heiz/Kühlelementen, WWärme von Fensterflächen (inkl. absorbierte Solarstrahlung), WWärme von Kunstlicht, WNettoverlustWärme von Personen (inkl. latente), WWärme von Luftströmen

EnEV Nachweise

• Erstmals Berechnung des Energieverbrauchs von Gebäuden• Festgesetztes Rechenverfahren• Monatliche Rechenschritte• Berücksichtigung etablierter Planungskonzepte

Betonkernaktivierung• Als Fußbodenheizung?• Oder unter Berücksichtigung der wirklichen physikalischen Prozesse?

Projekte im Schnelldurchlauf

Fensterlüftung• Schulhäuser in Luxemburg• Überprüfung und Kommunikation der Funktion eines Systems

Rückgewinnung Wärme und Feuchtigkeit

Rotor

E xhaust a ir :wa rm , hum id

Ambient a ir :cold, dr y

Supply a ir

Air t o a mbien t

Vergleich der Strategien2 persons with low presence time

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

Rel

ativ

e H

umid

ity

Moisture recovery CO2 control No strategy

Monday22nd January

Tuesday23rd January

Wednesday24th January

Thursday25th January

Friday26th January

Saturday27th January

Sunday28th January

Neue Monte Rosa Hütte

Neue Monte Rosa Hütte

• Für Berghütten unüblicher„Komfort“

• Warmwasserduschen

neu alt

Neue Monte Rosa-Hütte: Energiekonzept

• Photovoltaik• Thermische

Kollektoren• Blockheizkraftwerk• Batterien• Thermische

Speicher• Gebäudemasse• Abwassertank

Einsatz von Simulationen: 1. Phase

• Energie-Bedarfsberechnungen• Dimensionierung Anlagen• (Kosten-)Optimierung zwischen

Gebäudehülle, Energieerzeugungund Energiespeicher

(wo bringt der investierteFranken am meisten?)

Planungs-/Investitionssicherheit

PV Anlage

50%

55%

60%

65%

70%

75%

80%

85%

90%

95%

100%

20 m2 30 m2 40 m2 50 m2 60 m2 70 m2 80 m2 90 m2 100m2

PV Fläche

Aut

arki

egra Polynomisch (288 kWh)

Polynomisch (192 kWh)Polynomisch (96 kWh)Polynomisch (72 kWh)

Einsatz von Simulationen: 2. Phase (geplant)

73

Der internationale Vergleich

• Großbritannien• Schweden

Großbritannien

• Part L Nachweise (entspricht EnEV) auch unter Einsatz von Gebäudesimulation möglich

• Programme müssen akkreditiert sein• Anwender muss akkreditiert sein• Starker Anstieg in der Anwendung von

Simulationsprogrammen• Jetzt zum Beispiel auch für

Lastberechnungen, Planungsoptimierung, etc.

Schweden

• Weniger ”normengläubig”• Mit Großbritannien ist hier die Anwendung von Simulation in Europa

am weitesten verbreitet

Und im deutschsprachigen Raum?

Simulation und Normen

• Workshop mit Simulationsanwendern in der Schweiz• Simulationen sollten zum festen Bestandteil der normativen

Nachweise werden• Wie weit gehen wir mit diesem Ansatz?• Vordefinierte Prozesse für Norm-Nachweise• Akkreditierung der Tools / Akkreditierung der Anwender

Ein Projektbeispiel - GTD

• Gebäudetechnik Dresden• Versuch eines neuen ”Planungsansatz”:

– Lastermittlung über Simulation, mit den real auftretenden Randbedingungen

– EnEV Nachweis mit Simulation, nicht 18599 Rechenwerk

Simulation

Nicht annehmen (oder fürchten?) was passieren könnte…,

…sondern wissen was passieren wird!

Die Alternativen

Annehmen Berechnen