Simulation technischer Anlagen

Bei der dynamischen Anlagensimulation werden technische Komponenten oder Systeme mit ihren energetischen Zusammenhängen mathematisch abgebildet und abhängig von den zeitabhängigen Betriebszuständen und Rahmenbedingungen berechnet.

Bei der dynamischen Simulation wird die zeitliche Varianz technischer Parameter und Einflußgrößen berücksichtigt, wie z.B.

• variable Lastzustände

• variierende Temperaturen der angrenzenden Umgebungen

• zeitliche Schwankungen der Volumenströme und der Temperaturen der Medien

• Speichervorgänge im System und den angrenzenden Bereichen

Damit können die Konsequenzen auf Leistungen und Energieerträge ermittelt werden.

Klassische Berechnungs- und Dimensionierungsansätze beziehen sich stets nur auf einen statischen Zustand, den "Auslegungsfall", für welchen konstante Bedingungen angenommen werden.

Anlagensimulationen werden notwendig, wenn Ingenieurbüros bei der Auslegung komplexer technischer Lösungen oder innovativer Techniken mit herkömmlichen Berechnungsverfahren keine hinreichend genauen Ergebnisse mehr erzielen können

Dynamische Anlagensimulationen optimieren

• die Struktur komplexer Anlagensysteme durch den Vergleich verschiedener Schaltungsvarianten
• die Dimensionierung einzelner technischer Komponenten durch eine gezielte Abstimmung auf das Lastprofil
• das Betriebsverhalten von Anlagen durch Einstellung von Regelstrategien und -algorithmen
  

Anwendungsbeispiele

Bei Systemen einer solaren Nahwärmeversorgung mit saisonaler Speicherung wird mit der Simulation eine Systemoptimierung durchgeführt. Kollektorart und –fläche, Größe und konstruktiver Aufbau des saisonalen Speichers, Anordnung und Größe der Wärmetauscher und Pufferspeicher werden auf das Bedarfsprofil für Trinkwarmwasser und Raumheizung sowie auf das solare Strahlungsangebot abgestimmt. Ziel einer solchen Optimierung sind möglichst hohe solare Erträge bei gleichzeitig geringen Investitionskosten.

Bei Lüftungsanlagen können Erdwärmetauscher zum Einsatz kommen. Außenluft strömt durch Rohre im Erdreich, bevor sie den Räumen zugeführt wird. So wird die Zuluft im Winter vorgewärmt und in den Sommermonaten gekühlt. Die Leistungen eines Erdwärmetauschers hängt stark davon ab, wie sich die Speicherumgebung des Rohrregisters im Laufe des Winters auskühlt bzw. während der Sommermonate erwärmt. Mit einer dynamischen Simulation erfolgt die Dimensionierung technischer Komponenten. Anzahl, Durchmesser, Material, Abstand, Anordnung und Länge der Rohre werden abgestimmt auf die äußeren Gegebenheiten wie Betriebszeiten der Lüftung, Materialwerte des speichernden Erdreiches, Einflüsse von Umgebungstemperatur, Niederschlägen und Windstärke.

Dynamische Gebäudesimulationen

Bei dynamischen Simulationen wird ein möglichst realitätsnahes Modell des zu untersuchenden Objektes abgebildet. An diesem Modell können durch Detailuntersuchungen Optimierungsmaßnahmen genauer analysiert werden.

Im Gegensatz zu den statischen Berechnungsverfahren zur Heiz- und Kühllast wie der DIN 4701 oder der VDI 2078 werden hier auch Speichervorgänge in den Materialien und Rückkopplungen zwischen Technik und Gebäude berücksichtigt.

Dynamische Simulationen bieten die Möglichkeit,

• solare Einstrahlung durch Glasflächen,
• Einflüsse verschiedener Verschattungssysteme,
• Erwärmung und Befeuchtung des Gebäudes durch innere Lasten wie z.B. durch Personen, PC, Beleuchtung oder Maschinen,
• Raumtemperaturen in Abhängigkeit vom eingesetzten Heiz- und Kühlsystem
  zeitabhängig mit zu berücksichtigen.
  

Das Einsatzgebiet von dynamischen Simulationen liegt an der Schnittstelle zwischen Objektplanung und haustechnischer Planung, das heißt dort, wo Architekt/innen und Ingenieur/innen mit integralem Planungsansatz kooperieren sollten.

Anwendungsbeispiele

Bei engagierten architektonischen Entwürfen, mit einen hohen Glasflächenanteil an der Gebäudehülle, wird mit Simulationen eine
Fassadenoptimierung durchgeführt. Fassadenmaterialien, Glasqualität, Flächenanteile, Verschattungsprinzipien oder Sonnenschutz sind Parameter, die unter Berücksichtigung von Gebäudeausrichtung, Geometrie, Nutzung und zeitlicher Varianz aufeinander angepaßt werden. Damit werden die oft unterschiedlichen Interessen

• sommerlicher Wärmeschutz (Gebäudenutzer/innen),
• gestalterischer Entwurf (Architekt/innen) und
• Investitionskosten (Bauherren)

zusammenhängend betrachtet und zu einer einvernehmlichen Lösung hin bearbeitet.

Bei Räumen mit Kühlbedarf in den Sommermonaten wird mit Simulationen die Reduzierung konventioneller Technik untersucht. Strategien der nächtlichen Durchspülung der Gebäude mit Außenluft sind ein Beispiel. Diese bewirken ein Auskühlen der speicherfähigen Bauteile, was wiederum die Kühllast in den warmen Stunden tagsüber reduzieren oder gar vollständig vermeiden kann. Der Verzicht auf Kühlsysteme verringert die Investitionskosten.

Dynamische Simulationen geben Antwort auf Fragen zur Sicherstellung der Behaglichkeit für die Nutzer/innen des Gebäudes. Thermisch aktivierte Decken oder Wände, z.B. mittels wasserdurchströmter Rohrschlangen in Beton, bewirken im Winter eine erhöhte Oberflächentemperatur. Die Raumlufttemperatur kann dadurch abgesenkt werden, ohne daß es zu Komforteinbußen kommt. Das Resultat sind Energie- und Betriebskosteneinsparungen.

Referenzen

Solares Kongresszentrum Mecklenburg-Vorpommern

Dynamische Anlagensimulation

• Solarthermie
• teilsaisonaler Speicher
• Pflanzenöl-BHKW und Kessel

Thermische Gebäudesimulation

• Glasvorbau
• Belüftungskonzept
• Dämmvarianten
  

Verwaltungskomplexes mit 55.000 m2 Nutzfläche in Singapur

Thermische Gebäudesimulation mit Variantenvergleich

• Kühldecken
• Bauteilaktivierung
• Verschattung
• Fassadenoptimierung
  

Prüf- und Verwaltungszentrum mit 230.000 m2 Nutzfläche bei München

Dynamische Gebäudesimulation

• thermisches Verhalten
• Feuchteausfall in kritischen Räumen
• Kühlung durch Thermoaktivdecken

Dynamische Anlagensimulation

• RLT-Anlagen
• Erdwärmetauscher
• Kühlsegel

Simulation des Erdwärmetauschers des Neuen Tempodroms, Berlin

• Dynamische Anlagensimulation
• Erdwärmetauschers
• Auslegung; Anordnung der Rohre
• Messkonzeptes

Solares Internet Café der Willi-Graf-Oberschule Berlin

Dynamische Gebäudesimulation

• Glas-Doppelfassade
• Hypokaustum
• Speichermassen

Dynamische Anlagensimulation

• Solarer Luftkollektor
• hinterlüftete Glas-Doppelfassade
• RLT-Anlage mit WRG
• Erdwärmetauscher