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Aus IBPSA-Germany
Simulationen als überlegene Planungswerkzeuge
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Hintergrund
Gegenwärtig ist der normale Planungsablauf in Deutschland nach der HOAI leider strikt aufgeteilt in einzelne Fachgebiete und Gewerke, wobei in jedem Fachgebiet eigene, spezifische Planungswerkzeuge zum Einsatz kommen. Im technischen Bereich werden dabei – vermutlich aus traditionellen Gründen (auch im IT-Zeitalter muß ja nach wie vor alles mit Hand ausrechenbar sein !) und zur Aufwandsbegrenzung – meist vereinfachende Berechnungsmethoden benutzt.
Moderne, höherwertige Planungswerkzeuge in Form von Simulationen sind den Standardmethoden prinzipiell überlegen und ermöglichen enorme Einsparungen bei der Planung von Anlagentechnik. Somit bietet der Einsatz von Simulationstechnik auch kostenmäßige Vorteile, welche anhand eines Beispiels exemplarisch quantifiziert werden.
Exemplarisch betrachtetes Gebäude
Das historische Gebäudeensemble „Palmengarten“ wurde Mitte des 19. Jahrhunderts in Frankfurt errichtet und umfasst neben einem verglasten Gewächshaus im Hauptgebäude einen großen Festsaal. Dieser Festsaal wird nach dem Entwurf des bekannten Architekturbüros DAVID CHIPPERFIELD Architects renoviert.
Der Festsaal wird wieder für große Veranstaltungen genutzt werden, so dass eine mechanische Be- und Entlüftung unumgänglich ist.
Standardmäßiger Planungsablauf
Das Klimakonzept für den Festsaal sieht vor, dass die mechanische Lüftung des Festsaals nicht nur für die Frischluftversorgung der Besucher sorgt, sondern auch zur Kühlung des Festsaal während der Veranstaltungen herangezogen wird.
Ein normaler Planungsablauf nach HOAI beinhaltet, dass im Rahmen der TGA-Planung eine Kühllastberechnung nach VDI 2078 durchgeführt wird. Nach den Regeln dieser standardmäßigen Kühllastberechnung wird für den gesamten Festsaal eine einfache, stationäre Energiebilanz aufgestellt, welche alle äußeren und inneren Wärmequellen beinhaltet.
Daraus wird dann – auf Basis einer minimalen Zulufttemperatur von +18°C und einer Ablufttemperatur von +26°C – der zur Einhaltung der Auslegungstemperatur von +26°C erforderliche Luftvolumenstrom abgeleitet.
Diese typische und in der HOAI abgedeckte Dimensionierung der mechanischen Lüftung ergibt für den Festsaal einen erforderlichen Lüftungsvolumentrom von ca. 50.000 m³/h.
Die Luftkanäle im historischen Festsaal können aus baukonstruktiven Gründen nur über den Boden der Galerie geführt werden, so dass die Zulufteinbringung horizontal quer in den Luftraum des Festsaals hinein und seitlich direkt vor den Fenstern vertikal nach oben gerichtet angeordnet ist.
Die Abluftabsaugung ist im Dachraum des Festsaals oberhalb der historischen Decke angeordnet.
Da die Geschwindigkeit, mit der die Luft durch die Zuluftkanäle strömen kann, aus akustischen Gründen auf ca. 4...6 m/s begrenzt sein musste (ansonsten tritt ein zu hoher Störgeräuschpegel während der Veranstaltungen auf) und die seitlichen Abmessungen der Luftkanäle durch die Breite der historischen Galerie begrenzt sind, wären Zuluftkanäle unter der Galerie erforderlich gewesen, welche die unterhalb der Galerie angeordneten Kapitelle der Wandpilaster und die Schlusssteine der historischen Bogenfenster teilweise verdeckt hätten.
Es ist leicht nachzuvollziehen, dass Planungsbeteiligte mit einem solchen Lüftführungskonzept, welches insbesondere gestalterisch unbefriedigend ist und auch das historische Erscheinungsbild des Festsaals negativ beeinträchtig, nicht zufrieden sein können.
Optimierte Planung
Es waren folglich intelligente Ideen gefragt, die eine deutliche Reduzierung des zur Lüftung und Kühlung des Festsaals erforderlichen Lüftungsvolumenstroms ermöglichen sollten.
Aus Sicht der TGA-Planung wäre zunächst die Trennung der Funktion „Lüftung“ und „Kühlung“ möglich gewesen. In diesem Fall wären die Wärmelasten des Festsaals hauptsächlich mit Hilfe von Kühldecken unter der Decke abgeführt worden, so dass der zur Frischluftversorgung erforderliche Luftvolumenstrom der mechanischen Lüftung auf das hygienisch erforderliche Mindestmaß von ca. 15.000 m³/h reduzierbar gewesen wäre. Dieser Lösungsansatz wurde jedoch verworfen.
Insofern war das Planungsteam sehr offen, als der hinzugezogene bauklimatische Experte folgenden alternativen Lösungsvorschlag unterbreitete:
Eine Analyse der hinsichtlich thermischer Belastung kritischen Veranstaltungen ergab zunächst, dass die dominierenden Wärmequellen (bis zu 70 kW), die während großer Veranstaltungen im Festsaal zu erwarten sind, in Form von Bühnenbeleuchtung im oberen Bereich des Festsaals auftreten.
In den Aufenthaltsbereichen (EG und Galerie) wird von den bis zu 700 Besuchern zwar auch Wärme (bis ca. 50 kW) freigesetzt, die Abwärme der Bühnenbeleuchtung wird jedoch aufgrund der Verwendung spezieller „Kaltstrahler“ zu 90% konvektiv an die umgebende Luft abgegeben und nur 10% wird als thermische Strahlung freigesetzt. Aufgrund dieser konvektiv dominierten Wärmefreisetzung im oberen Bereich des Festsaals ist mit einer ausgeprägten thermischen Schichtung innerhalb des Festsaals zu rechnen. Da andererseits nur in den Aufenthaltsbereichen mit Besuchern thermisch behagliche Raumzustände erforderlich sind, wurde vorgeschlagen, die Kühlung des Festsaals auf ebendiese Aufenthaltsbereiche zu beschränken. Die gezielte Ausnutzung der thermischen Schichtung im Festsaal soll ermöglichen, dass nur die Aufenthaltsbereiche der Besucher im EG und auf der Galerie gekühlt werden und eben nicht der ganze Festsaal komplett gekühlt wird. Natürlich war bei diesem Lösungsansatz zu berücksichtigen, dass die aufgrund der thermischen Schichtung recht warmen Oberflächen im oberen Bereich des Festsaals via thermischer Strahlung auch auf die empfundenen Temperaturen in den Aufenthaltsbereichen ungünstig einwirken.
Höherwertige Planungswerkzeuge
Die Überprüfung dieses Optimierungsvorschlags war mit Hilfe standardmäßiger Berechnungsmethoden der TGA-Planung (standardmäßige Kühllastrechnung nach VDI 2078, siehe Abschnitt 3) – gerade im Hinblick auf den ungünstigen Einfluss der warm von der Decke herabstrahlenden Oberflächen – nicht möglich, da sie eine Temperaturverteilung innerhalb ihres Bilanzraumes nicht abbilden können. Intelligente Klimakonzepte, welche die räumlichen Verteilungen (z.B. die thermische Schichtung bei hohen Lufträumen) gezielt ausnutzen, können somit grundsätzlich nur mit Hilfe höherwertiger Planungswerkzeuge untersucht und dimensioniert werden. Diese höherwertigen Planungswerkzeuge sollten in der Lage sein, zum Einen die wesentlichen Energieströme in den betrachteten Räumen abzubilden und zum Anderen auch die örtliche Verteilung der Temperaturen und Luftgeschwindigkeiten zu liefern. Denn nur die detaillierte Kenntnis der lokalen Luft- und Strahlungstemperaturen ermöglicht im Zusammenhang mit der örtlichen Luftgeschwindigkeit Aussagen zum lokalen thermischen Komfort der Besucher (vgl. dazu DIN EN ISO 7730 [4], DIN EN 13779 [5], DIN EN 15251 [6], etc.).
Welche Computer-Simulationen für den Festsaal ?
Für den historischen Festsaal sollten umfangreiche Computer-Simulationen zur Validierung des Optimierungskonzepts durchgeführt werden. Dabei sollte mit Hilfe der höherwertigen Planungswerkzeuge (= Simulationen) nicht nur die thermische Schichtung abgebildet werden, sondern es sollten auch die Ausblasbedingungen der seitlich an der Galerie angeordneten Weitwurfdüsen untersucht werden (z.B. Richtung des Luftstrahls, Austrittsgeschwindigkeit, Zulufttemperatur, etc.). Denn einerseits sollte ein möglichst großer Raumbereich mit den Luftstrahlen „überstrichen“ werden, andererseits mussten jedoch zu hohe Luftgeschwindigkeiten im Bereich der Besucher (Zugerscheinungen) vermieden werden.
Vor dem Hintergrund der geforderten Ergebnisse stellte sich somit die Frage, welcher Simulationstypus zum Einsatz kommen musste.
Diesbezüglich ist es sehr wichtig, die Grenzen von zonalen, thermische Simulationen zu kennen: Denn diese können grundsätzlich nur räumliche Mittelwerte (der jeweiligen Zone) als Ergebnisse liefern.
Immer dann, wenn - wie im beschiebenen Beispiel - Fragen zur Verteilung innerhalb des simulierten Raumvolumens beantwortet werden sollen, sind grundsätzlich hochauflösende CFD-Strömungssimulationen (CFD = Computational Fluid Dynamics) erforderlich. Das auf finiten Volumen basierende, wesentlich höher auflösende Berechnungsgitter der CFD-Simulationen für den Festsaal ist zur Veranschaulichung nachfolgend abgebildet (Oberflächengitter).
Anhand dieser beiden Abbildungen wird sehr deutlich, dass die CFD-Simulationen das Berechnungsgebiet (den Festsaal) in sehr viel mehr kleine Raumvolumen („finite Volumen“) unterteilen als die gröbere zonale thermische Raumsimulation, die den Festsaal in nur 5 Zonen (entspricht meist den Geschossen) unterteilt. Da bei den CFD-Simulationen für jedes einzelne finite Volumen die vollständigen Erhaltungsgleichungen (Energie-, Impuls- und Massenerhaltung inkl. Turbulenzmodellierung) gelöst werden, wird auch deutlich, dass die CFD-Simulationen wesentlich mehr Rechenleistung und Speicherkapazität als die zonalen Raumsimulationen erfordern, welche ihrerseits eine Energie- und Massenbilanz für die einzelnen Zonen lösen. Allerdings können CFD-Simulationen bei derart großen Gittern (ca. 1 Millionen finite Volumen) aufgrund der begrenzten Rechenleistung und Speicherfähigkeit auch der neuesten Computer üblicherweise nur für einen diskreten Zeitpunkt (oder eine sehr kurze Zeitspanne) durchgeführt werden. Falls jedoch Wärmetransportmechanismen mit einer längeren Zeitskala – im vorliegenden Fall z.B. die Wärmespeicherung in den massiven Bauteilen im Festsaal – eine wichtige Rolle hinsichtlich der Oberflächentemperaturen spielen, müssen diese in den CFD-Simulationen berücksichtigt werden. Üblicherweise werden den CFD-Simulationen zur Berücksichtigung dieser Phänomene mit längerer Zeitskala zonale, thermische Simulationen vorgeschaltet; dabei empfiehlt sich, die Ergebnisse der zonalen Simulationen nicht über konstante Oberflächentemperaturen, sondern über Wandwärmeströme mit den CFD-Simulationen zu koppeln, um eine realistischere Wandtemperaturverteilung zu erreichen.
Gekoppelte zonale, thermische und hochauflösende strömungstechnische Simulationen
Für den Festsaal wurden daher in einem ersten Schritt zonale, thermische Simulationen mit dem Mindestluftwechsel (ca. 15.000 m³/h) und einigen Optimierungen durchgeführt, deren Ergebnisse exemplarisch dargestellt sind.
Darin ist zu erkennen, dass die Temperaturen im Festsaal zu Beginn der Veranstaltung, wenn die Bühnenbeleuchtung in Betrieb geht und die Besucher im Festsaal Platz genommen haben, rasch ansteigen; die maximalen Temperaturen im Festsaal werden gegen Ende der Veranstaltung erreicht. In der Abbildung ist auch zu erkennen, dass der Wärmeeintrag aus dem angrenzenden Gewächshaus vormittags zu leicht ansteigenden Temperaturen führt – vor allem im EG und 1.OG mit den großen Fenstern. Insgesamt ist der Einfluss dieses Wärmeeintrags aber eher von untergeordneter Bedeutung. Anhand dieser Ergebnisse lies sich ableiten, dass die hohauflösenden CFD-Simulationen im Sinne einer worst-case Betrachtung für einen Zeitpunkt gegen Ende der 3-stündigen Veranstaltung durchzuführen waren.
Auf Basis der Ergebnisse der zonalen, thermischen Simulationen wurden anschließend CFD-Simulationen durchgeführt. In nachfolgenden Abbildungen sind zunächst die relativ komplexen Luftströmungen innerhalb des Festsaals – exemplarisch im 2D-Schnitt – dargestellt.
Darin sind die im Galerieboden angeordneten Weitwurfdüsen mit ihren horizontal austretenden Kaltluftstrahlen gut zu erkennen. Darüber hinaus ist auch die direkt vor den Fenstern im 1.OG bzw. auf der Galerie angeordnete vertikale Lufteinbringung zu sehen (nur auf der rechten Seite, da auf der linken Seite in diesem Mittelschnitt eine Tür und somit kein Luftauslass angeordnet ist). In der Abbildung ist auch die über den Leuchten aufsteigende Warmluft zu erkennen, die nicht komplett abgesaugt wird, sondern zum Teil wieder in den Festsaal hinab strömt (Rezirkulation).
In obiger Abbildung mit dem Betrag der jeweiligen Luftgeschwindigkeiten ist zu erkennen, dass die Luftgeschwindigkeiten im Kopfbereich der vorderen Sitzreihen in der Größenordnung von 0,2...0,3 m/s liegen und damit als grenzwertig einzustufen sind. In nachfolgender Abbildung ist zu erkennen, dass dieses Strömungsbild hauptsächlich im Mittelbereich und weniger in den seitlichen Zuschauerbereichen zu erwarten ist.
Die aufgezeigten Strömungsverhältnisse im Festsaal führen zu einer Verteilung der Lufttemperatur, wie sie in nachfolgender Abbildung im Überblick in 3D dargestellt ist.
Darin ist die prognostizierte, ausgeprägte thermische Schichtung der Lufttemperatur im Festsaal sofort zu erkennen. Darüber hinaus ist auch zu erkennen, dass die Lufttemperatur im oberen Bereich des Festsaals auf Werte oberhalb von ca. 29°C ansteigt, so dass sich eine „Wärmeglocke“ unter der Decke des Festsaals ausbildet.
Eine detaillierte Auswertung ergibt, dass die Lufttemperaturen im Bereich der sitzenden Besucher im EG meist bei ca. 22...24°C liegt und nur an wenigen Stellen über 24°C ansteigt.
Im 1.OG bei den Besuchern auf der Galerie nimmt die Lufttemperatur etwas höhere Werte von ca. 24...26°C an.
Der Warmluftstau (die „Wärmeglocke“) im oberen Bereich des Festsaals führt zu entsprechend hohen Oberflächentemperaturen, wie in nachfolgnder Abbildung zu erkennen ist.
Darin ist zu sehen, dass die Deckentemperatur bis auf ca. 36...40°C ansteigt. Diese recht hohen Oberflächentemperaturen wirken – neben der Bühnenbeleuchtung selbst – via thermischer Strahlung auf den thermischen Komfort der Besucher im EG und insbesondere auf der Galerie ein. In nachfolgenden Abbildung sind hierzu die resultierenden empfundenen Temperaturen dargestellt.
Darin ist zu erkennen, dass die empfundene Temperatur (= operative Temperatur) im Bereich der Sitzplätze meist bis auf ca. 26...30°C ansteigt und an einigen kritischen Bereichen – welche besonders nahe an den Wärme abstrahlenden Leuchten angeordnet sind – auch höhere Werte erreicht.
Die Ergebnisse der CFD-Simulationen hatten damit aufgezeigt, dass die Forderung einer maximalen Empfindungstemperatur von 26°C mit dem auf den hygienisch erforderlichen Mindestluftwechsel reduzierten Luftvolumenstrom der mechanischen Lüftung nicht eingehalten werden konnte. Zur Einhaltung eines Grenzwerts von 26°C wären zusätzliche Maßnahmen zur Kühlung des Festsaals erforderlich gewesen (z.B. Erhöhung des Luftvolumenstroms, zusätzliche Lufteinbringung, partielle Kühldecken, etc.). Die aufgezeigten Einschränkungen des thermischen Komforts im Festsaal wurden vom Bauherr und zukünftigen Nutzer jedoch akzeptiert und daher wurde auf weitere Optimierungen verzichtet.
Wirtschaftlichkeit
In folgender Tabelle wird eine standardmäßige Planung der technischen Gebäudeausrüstung (TGA) nach HOAI einer optimierten TGA-Planung mit Einsatz höherwertiger Planungswerkzeuge gegenübergestellt und es werden auch die finanziellen Auswirkungen grob quantifiziert.
| TGA-Planung auf Basis standardmäßiger Planungswerkzeuge | TGA-Planung mit Hilfe von höherwertigen Planungswerkzeugen | |
|---|---|---|
| Planungswerkzeug | Kühllastberechnung nach VDI 2078 | Zonale Raumsimulationen und hochauflösende CFD-Simulationen |
| Auslegungsziel | Maximal zulässige Lufttemperatur + 26°C | Empfundene Temperaturen nicht zu hoch |
| Zulufttemperatur | + 18°C | + 18°C |
| Luftvolumenstrom | ca. 50.000 m³/h | ca. 15.000 m³/h |
| Investitionskosten (Basis: ca. 20,- €/(m³/h) | 1.000.000,- € | 300.000,- m³/h |
| Betriebskosten | hoch | niedrig |
Ein Vergleich zeigt, dass bei den Investitionskosten für die mechanischen Lüftungsanlagen (auf Basis eines Erfahrungswertes von ca. 20,- € pro m³/h) durch den Einsatz von Simulationen und bei reduzierten Behaglichkeitsanforderungen ca. 700.000,- € eingespart werden konnten. Auch die Betriebskosten der mechanischen Lüftung werden durch den minimierten Luftvolumenstrom erheblich verringert.
Resümee
Am Beispiel des Festsaals im Palmengarten Frankfurt wird deutlich, dass der Einsatz von Computersimulationen als höherwertiges Planungswerkzeug zunächst mit einem erhöhten Aufwand während der Planung verbunden ist. Dieser wird jedoch durch Einsparungen bei den Investitions- und Betriebskosten der Lüftungsanlage um ein Vielfaches kompensiert. Dieses Ergebnis kann generell auf hochwertige Veranstaltungsräume mit großen Lufträumen übertragen werden, denn der Einsatz höherwertiger Planungswerkzeuge führt bei derartigen Räumen durch Anpassung an das spezifische Bauvorhaben nicht nur zu einer höheren Planungstransparenz bzw. Planungssicherheit und besseren Planungsergebnissen, sondern er stellt sich auch wirtschaftlich als sehr sinnvoll und empfehlenswert dar.
Literatur
- Honorarordnung für Architekten und Ingenieure (HOAI) vom 17. September 1976 (BGBl. I S. 2805) in der Fassung des Gesetzes zur Umstellung von Gesetzen und Verordnungen im Zuständigkeitsbereich des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie sowie des Bundesministeriums für Bildung und Forschung auf Euro (Neuntes Euro-Einführungsgesetz) vom 10.November 2001 (BGBl. I S. 2992)
- Versammlungsstättenverordnung (MVStättV), Ausgabe Hessen, Fassung Juni 2005
