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Simulationsarten - Übersicht mit Kurzerläuterungen
Allgemeines
Diese Seite bietet eine erste Übersicht über die verschiedenen Simulationsarten im Bauwesen. Sie richtet sich insbesondere an Interessierte, die sich noch nicht mit den Details von Simulationen vertieft befasst haben und daher noch nicht über entsprechendes Detailwissen verfügen.
Wenn Sie damit bereits vertraut sind, wechseln Sie bitte auf die Experten-Seite Simulationsmodelle, -verfahren und -techniken.
Welche Simulationsarten gibt es ? Ein Überblick
Im Bauwesen gibt es sehr viele unterschiedliche Arten von Computer-Simulationen, die vielen verschiedenen Zwecken dienen (z.B. der Statik bzw. der Tragwerksplanung, der Visualisierung, etc.). Interessant ist in diesem Zusammenhang, dass gerade nachhaltige und energieeffiziente Gebäude einen besonderen Bedarf an höherwertigen Planungswerkzeugen, d.h. Simulationen, aufweisen. Der Zusammenhang zwischen zukunftsweisenden, ökologischen Gebäudekonzepten und Simulationsarten ist nachfolgend als grobe Übersicht dargestellt.
Simupedia fokussiert hauptsächlich auf die Simulationsarten, die sich mit der Gebäudeperformance befassen, d.h. es wird Energie in all ihren Erscheinungsformen, Anlagentechnik, jährlicher Energiebedarf, Luftströmungen, Feuchte, Tageslicht, Temperaturen, etc. betrachtet.
Die anzuwendende Simulationsart hängt dabei von der jeweiligen Zielsetzung bzw Fragestellung ab, siehe Graphik bzw. auch Wann ist welche Simulationsart anzuwenden ?
Nachfolgend sind die häufigsten Simulationsarten kurz beschrieben.
Anlagensimulation (Gebäude)
Nach VDI 6020 wird diese Art von Simulation als Thermisch-energetische Anlgensimulation (TEA) bezeichnet.
Im Rahmen einer Anlagensimulation wird eine oder mehrere technische Anlagen eines Gebäude (z.B. Heizung, mechanische Lüftung, Kühlung, etc.) abgebildet.
Hierzu wird das zu simulierende Gebäude zunächst in einzelne Zonen mit ähnlicher Nutzung aufgeteilt, um den von der jeweiligen Anlage zu leistenden Bedarf an Energie (z.B. Wärme, Luftvolumenstrom, Kälte, etc.) zu ermitteln. Die Summe aus allen Zonen ergibt den zeitlich variablen Energiebedarf des gesamten Gebäudes.
Im Rahmen der Anlagensimulation werden die jeweiligen technischen Anlagen (z.B. Heizsystem, Kühlung, mechanische Lüftung, etc.) detailliert im Simulationsmodell abgebildet. Dies bedeutet z.B. für eine mechanische Lüftungsanlage, dass der Ventilator, der Wärmetauscher (Zuluft/Abluft), der Erhitzer, der Kühler, der Be- und Entfeuchter und eventuelle weitere Anlagenkomponenten modelliert werden. Dabei versorgt eine Anlage (z.B. die Heizung) mehrere Räume bzw. Zonen; aufgrund der unterschiedlichen Nutzung, Fassadenorientierung, Größe, usw. weisen alle Räume/Zonen unterschiedliche und zeitlich variable Energieverbräuche auf (z.B. benötigen besonnte Räume weniger Wärme aufgrund ihrer solaren Wärmegewinne). Somit werden im normalen Betrieb einer Anlage, z.B. bei der zentralen Wärmeerzeugung (Heizkessel), ständig variierende Energiemengen (z.B. Wärmemengen) abgefragt. Vor dem Hintergrund, dass der Wirkungsgrad der Energieerzeuger (z.B. Heizkessel) von ihrer jeweiligen Auslastung abhängt (im Teillastbereich zeigen die meisten Geräte deutlich niedrigere Wirkungsgrade als im Volllastbereich) wird deutlich, dass eine detaillierte Ermittlung des Jahresenergiebedarfs einer technischen Anlage (z.B. Heizung) diese stark dynamischen Vorgänge mit Hilfe einer Anlagensimulation abbilden muss. Diese umfasst als Zeitperiode ein gesamtes Jahr, wobei in der Regel für jede einzelne Stunde der jeweilige Energiebedarf der einzelnen Anlage zunächst berechnet und anschließend über das gesamte Jahr (8760 Stunden) aufsummiert wird.
Aufgrund der Tatsache, dass die gesamte technische Anlage mit all ihren Komponenten simulationsmäßig abgebildet wird, spricht man in der Regel von "Anlagensimulation".
Gelegentlich werden derartige Simulationen auch "Prozesssimulationen" genannt, da z.B. bei der mechanischen Lüftung die Zuluft verschiedene Zustandsänderungen (heizen/kühlen/be- oder entfeuchten/nachkühlen bzw. nachheizen) durchläuft - was in der Sprache der Thermodynamik als Prozess bezeichnet wird.
Mehr Details hierzu sind zu finden unter Anlagensimulation/TGA
Raumsimulation/Gebäudesimulation (Zone(n))
Nach VDI 6020 wird diese Art von Simulation als Thermisch-energetische Gebäudesimulation (TEG) bezeichnet.
Das entscheidende Merkmal dieser Art von dynamischen Simulationen ist in ihrem Bezug auf einen Raum bzw. auf eine Zone zu sehen (die Raumumschließungflächen bzw. Grenzflächen der Zone stellen dabei die Bilanzgrenzen der instationären Energiebilanz dar): Es handelt sich immer um zonale Simulationen. Das bedeutet, dass die berechnete Lufttemperatur für den ganzen Raum identisch ist und somit als räumlicher Mittelwert zu verstehen ist. In der Thermodynamik wird eine solche Annahme als "ideal gerührter Behälter" bezeichnet.
Diese Art von Simulationen ist darüber hinaus in der Lage, neben der mittleren Lufttemperatur die Oberflächentemperaturen der raumumschließenden Bauteile und - daraus abgeleitet - die sogenannte "mittlere Strahlungstemperatur" zu berechnen.
Dieser kommt sowohl im Sommer (durch Besonnung erwärmte Glasscheiben wirken quasi als "Heizstrahler") als auch im Winter (kühle Glasflächen führen zu thermischem Diskomfort im fassadennahen Bereich) hinsichtlich thermischer Behaglichkeit eine besondere Bedeutung zu. Sowohl die mittlere Lufttemperatur wie auch die mittlere Strahlungstemperatur haben großen Einfluss auf die thermische Behaglichkeit, so dass diese beiden oftmals als operative Temperatur (oder auch empfundene Temperatur, Raumtemperatur, gefühlte Temperatur) zusammengefasst werden.
Die Oberflächen des simulierten Raumes stehen dabei nicht nur im konvektiven Wärmeaustausch mit der Raumluft (repräsentiert von der mittleren Raumlufttemperatur), sondern sie tauschen auch untereinander via langwelliger, thermischer Strahlung Wärme aus (zonale Simulationen ohne Strahlungsmodell werden heutzutage nicht mehr verwendet).
Ein weiteres wichtiges Merkmal dieser Simulationsart ist darin zu sehen, dass alle Wärmeströme durch die Raumumschließungsflächen (Bauteile) immer nur in normaler Richtung zum Bauteil (also immer 1D !) abgebildet werden. Damit wird es möglich, dynamische Effekte wie z.B. die Wärmespeicherung innerhalb der Bauteile näherungsweise abzubilden. Allerdings sind damit grundsätzlich keine Verteilungen in der oder parallel zur Oberfläche (also quer zur Normalrichtung) möglich, so dass alle Bauteile immer nur eine mittlere Oberflächentemperatur (und über die jeweilige Oberfläche gemittelte Wärmeübergangskoeffizienten) aufweisen.
Somit ist diese Art von Simulationen per se erst einmal nicht in der Lage, komplexere Fragestellungen zu beantworten, die eine 2D- oder 3D-Verteilung innerhalb der Bauteile erfordert (z.B. Wärmebrückenberechnungen, Temperaturverteilung innerhalb des Erdreichs, Fussbodenheizung (Näheres zur obigen Graphik siehe Physibel), Betonkernkühlung, etc.). Eine Fussbodenheizung oder eine Betonkernkühlung können in der zonalen, thermischen Simulation zwar über idealisierende 1D-Modelle näherungsweise abgebildet werden; bei komplexeren Fragestellungen, die von Wärmeströmen quer zur Normalrichtung der Bauteile stark beeinflusst werden, muss die zonalen Raumsimulation jedoch mit einer hochauflösenden 3D-Bauteilsimulation gekoppelt werden.
Die Raumsimulation kann entweder nur eine einzelne Berechnungszone (d.h. einen Raum) oder auch viele Berechnungszonen (Räume) umfassen: Sie wird als singlezonal oder als multizonal bezeichnet. So kann ein großer zusammenhängender Luftraum (z.B. eine Halle) sowohl als eine einzige Zone (singlezonal)
wie auch mit Hilfe mehrerer Zonen übereinander (multizonal) abgebildet werden.
Es liegt auf der Hand, dass das multizonale Modell physikalische Effekte wie z.B. die thermische Schichtung innerhalb der Halle besser abbilden kann als das singlezonale Modell. Allerdings sind die meist integrierten zonalen Strömungsmodelle eines solchen multizonalen Hallenmodells nur bedingt in der Lage, die Luftströmungen innerhalb des ganzen Luftraums realistisch wiederzugeben. So können Strömungseffekte wie z.B. Rezirkulation, Grenzschichtströmungen, Warmluftstrahlen, etc. aufgrund des zonalen Charakters dieser Simulationsart kaum abgebildet werden.
Eine detailliertere Untersuchung der Luftströmung innerhalb eines großen Luftraums
und der daraus resultierenden Lufttemperaturverteilung innerhalb dieses Raumes
erfordert daher immer ein hochauflösendes Berechnungsgitter (mit sehr vielen finiten Volumen), welche ausschließlich bei den hochauflösenden CFD-Simulationen zur Anwendung kommen.
Die Raumsimulation ist somit in der Lage, das thermische Verhalten von Räumen - oder sogar von ganzen Gebäuden - sowohl für kurze Zeitabschnitte (z.B. 2 Wochen sonniges, heißes Wetter - repräsentativ für sommerliche Spitzentemperaturen) wie auch für längere Perioden (z.B. ein ganzes Jahr, um die Häufigkeit erhöhter sommerlicher Raumtemperaturen zu ermitteln) zu prognostizieren (allerdings immer unter erheblichen Vereinfachungen und als räumliche Mittelwerte). Insofern wird diese Simulationsart häufig auch als thermische und/oder dynamische Gebäudesimulation bezeichnet.
Mehr Details zu den zonalen, thermischen Simulationen sind zu finden unter Zonale thermische Simulationsverfahren
Strömungssimulationen als Luftknotennetze (Zone(n))
Bei den raumorientierten, zonalen thermischen Simulationen kommt u.a. auch dem Energietransport mittels Luftströme (thermodynamisch: Enthalpieströme) eine große Bedeutung zu. So wurden früher z.B. klimatisierte Räume meist über das Einbringen gekühlter Zuluft gekühlt. In diesem Fall stellt der Energietransport via Luftströmung die wesentliche Wärmeabfuhr bzw. die Kühlung dar. Der durch die Lüftung bedingte Energiestrom ist somit bei der zonenbezogenen, instationären Energiebilanz immer zu berücksichtigen.
Bei einer mechanischen Lüftungsanlage wird häufig ein konstanter Luftvolumenstrom in die Räume eingebracht und wieder abgesaugt. In diesem Fall genügt eine simple Bilanzierung über die Zu- und Ablufttemperatur, um die abgeführte Energie zu ermitteln. Bei Fensterlüftung hingegen ist der Lüftungsvolumenstrom nicht konstant, sondern er stellt sich infolge von thermischen und windbedingten Kräften ein und variiert damit sehr stark mit der Zeit.
Darüber hinaus ist auch im Inneren eines Gebäudes bei geöffneten Türen ein Luftaustausch zwischen verschiedenen Räumen zu erwarten. Um derartige zeitlich variable Luftströmungen einigermaßen abbilden zu können, stehen zonale Strömungssimulationen zur Verfügung. Diese basieren - in Analogie zu den zonalen, thermischen Simulationen - auf einzelnen Räumen bzw. Zonen zugeordneten Luftvolumina (wiederum repräsentiert durch eine räumlich gemittelte Lufttemperatur), welche durch Luftknoten abgebildet werden. Die Öffnungen zwischen den einzelnen Räumen (z.B. offen stehende Türen) oder nach außen (z.B. geöffnete Fenster) ermöglichen eine Luftaustausch zwischen den jeweiligen Räumen. Diese Öffnungen bilden somit quasi die Verbindungen zwischen den einzelnen Luftknoten (Räumen/Zonen) und auf diese Weise entsteht ein Luftknotennetz für das Gebäude bzw. der über Öffnungen in Verbidung stehenden Räume/Zonen.
Diese zonalen Strömungssimulationen sind in der Lage, die zeitlich variablen Luftvolumenströme über Öffnungen zwischen einzelnen Räumen und/oder den Luftaustausch mit der Umgebung aufgrund von Auftriebskräften (Thermik) und/oder Windkräften zu ermitteln. Damit können sie die für die zonalen, thermischen Simulationen benötigten Lüftungsvolumenströme liefern, so dass die zonalen Simulationen häufig gekoppelt werden.
Die zonalen Strömungssimulationen können in verschiedene Anwendungsfälle untertilt werden.
Einseitige Fensterlüftung
Die Intensität der thermisch induzierten Fensterlüftung eines Raumes hängt neben der treibenden Lufttemperaturdifferenz zwischen Innen und Außen auch sehr stark von der Ausbildung der Öffnungselemente (z.B. Flügel, Klappen, etc.) und deren Stellung (z.B. Drehflügel: voll geöffnet (Drehwinkel 90°) - halb geöffnet (Drehwinkel 45°) - kaum geöffnet (Drehwinkel 5°)) ab .....
Hallendurchlüftung
Auch größere Lufträume, typischerweise Hallenräume, können natürlich über öffenbare Fenster gelüftet werden.
Ähnlich wie bei der einseitigen Fensterlüftung hängt dabei der Lüftungsvolumenstrom neben der antreibenden Lufttemperaturdifferenz (und eventuellen Windkräften) wiederum von der Größe und der Ausbildung der Fenster ab.
Querlüftung
Eine Querlüftung (= horizontale Durchlüftung eines Geschosses) wird hauptsächlich angetrieben von Winddruckdifferenzen zwischen der windangeströmten (LUV) und der windabgewandten (LEE) Gebäudefassade.
Allerdings stellt sich eine spürbare Querlüftung meist erst dann ein, wenn zwischen der windangeströmten und der windabgewandten Fassade sowohl die Fenster wie auch die Verbindungstüren der durchströmten Räume geöffnet sind - es entsteht ein (oder mehrere) durchgehender Strömungspfad von LUV nach LEE.
Natürlich ist eine derartige Querlüftung durch ein Hochhausgeschoss sehr stark davon abhängig, welche Türen und Fenster gerade geöffnet sind. Insofern lassen sich kaum detaillierte Prognosen zu den unterschiedlichen Öffnungsszenarien machen. Allerdings können derartige Analysen für den worst-case Fall - alle Fenster und Türen geöffnet - durchaus hilfreich sein.
Schachtlüftung (vertikale Durchlüftung eines Gebäudes)
Die vertikale Durchlüftung eines Gebäudes über Schächte wird hauptsächlich von den Druckdifferenzen angetrieben, die sich in Folge der Lufttemperaturdifferenzen zwischen den beheizten Räumen des Gebäudes und der Außenluft aufprägen (durchaus bekannt als Kaminwirkung). Demzufolge sind die größten treibenden Druckdifferenzen aufgrund Thermik im Winter - und bei besonders hohen Gebäuden - zu erwarten.
Infolge der großen Unterdrücke im unteren Gebäudebereich strömt dort kalte Außenluft - auch bei geschlossenen Außentüren durch die nie vollständig luftdichten Fassaden - in das Gebäude ein und im oberen Gebäudebereich strömt warme Raumluft durch offene Fenster und/oder Undichtigkeiten in der Gebäudehülle ab.
Oftmals führt diese thermisch induzierte vertikale Gebäudedurchlüftung zu einem intensiven Kaltlufteintrag in die Eingangs- bzw. Empfangshalle des Hochhauses, was dort - insbesondere im Empfangsbereich oder bei Veranstaltungen in der repräsentativen Eingangshalle - häufig zu erheblichen Störungen der thermischen Behaglichkeit führt.
Hinweise und Einschränkungen
Die zonalen Strömungssimulationen können auch ohne zonale, thermische Simulationen benutzt werden(In diesem Fall müssen die - konstanten - Lufttemperaturen der Luftknoten vorgegeben werden). Dies ist häufig der Fall, wenn z.B. die Gebäudedurchströmung untersucht wird (siehe oben: windinduzierte Querlüftung in einem Hochhausgeschoss, thermisch induzierte vertikale Gebäudedurchlüftung in einem Hochhaus, etc.). Auch bei der Berechnung von Rauchausbreitung innerhalb eines großen Gebäudes mit vielen Räumen kommen solche Simulationen zum Einsatz.
Die wesentliche Einschränkung dieser zonalen Strömungssimulation ist darin zu sehen, dass sie ausschließlich Lüftungsintensitäten bzw. Luftvolumenströme als Ergebnis liefert - eine detaillierte Luftströmung innerhalb eines Raumes kann damit jedoch nicht berechnet werden (zonaler Charakter dieser Simulationen). Somit sind derartige Strömungssimulationen bei allen Fragen, welche die räumliche Verteilung innerhalb eines Raumes betreffen, nicht zielführend.
Mehr Details zu den zonalen Strömungssimulationen sind zu finden unter Zonale Raumluftströmungssimulation
Hochauflösende Strömungssimulation, CFD (Innenraum-Verteilung)
Bei der hochauflösenden Strömungssimulation wird der Raum bzw. das Luftvolumen, in der die Luftströmung detailliert berechnet werden soll, in sehr viele, kleine Teile - die finiten Volumen - unterteilt, um alle wesentlichen Strömungspfade abzubilden. Für jedes einzelne Element werden dann im Rahmen der Berechnung die vollständigen Erhaltungsgleichungen (Navier-Stokes-Gleichungen bzw. Reynoldsgleichungen) gelöst. Für dieses Vorgehen hat sich die Bezeichnung Computational Fluid Dynamics (CFD) eingebürgert.
Dieser Simulationstypus ist - im Gegensatz zur zonalen Strömungssimulation - in der Lage, die räumliche Verteilung innerhalb einer Zone (nicht nur einen räumlichen Mittelwert wie die zonalen Simulationen) zu berechnen. Damit ist dieser Simulationstypus immer dann erforderlich, wenn es um Fragen zur lokalen Luftgeschwindigkeit (z.B. Zugerscheinungen, Kaltluftabfall, etc.) oder örtlichen Lufttemperatur (z.B. thermische Bhaglichkeit) geht.
Diesem Vorteil der hohen räumlichen Auflösung steht jedoch der Nachteil gegenüber, dass diese Art von Simulationen - aufgrund der enormen Anzahl von finiten Volumen (bis zu ca. 1,5 - 2,0 Mio) und der nur begrenzt zur Verfügung stehenden Computerleistung - meist nur für einen einzelnen, diskreten Zeitpunkt (oder transient nur für relativ kurze Zeitspannen) durchgeführt werden können.
Mehr Details zu den CFD-Strömungssimulationen sind zu finden unter CFD (Computational Fluid Dynamics)
Hochauflösende Bauteilsimulation, FEM (Bauteil)
Je nach Zielsetzung gibt es verschiedene Arten der Bauteilsimulation, wobei immer eine Verteilung der Zielgröße innerhalb des gesamten Bauteils berechnet wird:
- Ausschließlich Temperaturfeld im Bauteil: Thermische Finite-Elemente-Methode (FEM) Simulationen, z.B. Wärmebrückenberchnungen in 2D oder 3D zu Fragen hinsichtlich Tauwasser und/oder Schimmelbildung
- Temperatur- und Feuchteverteilung innerhalb eines Bauteils: Hygrothermische FEM-Simulationen
Mehr Details zu den Bauteilsimulationen sind zu finden unter Bauteilsimulation
Tageslichttechnische Simulation (Raum)
- Mindestbesonnung
- Tagesbelichtung
- Blendung
- Verschattung
Mehr Details zu den Tageslichtsimulationen sind zu finden unter Tageslichtsimulation
weitere Simulationsarten
- Strahlungsphysikalische Simulationen, siehe Fenstermodelle
- Lebenszyklusanalysen (Ökobilanzen)
- Raumakustische Simulationen, siehe Raumakustik
- Strukturdynamische FEM-Berechnungen
- Simulationen zu ..... ???
