Gebäudeum- und -durchströmung

Die Simulationsberechnungen der Gebäudeumströmung / Gebäudedurchströmung ermöglichen trotz der Komplexität von Bauwerken und der vielfältigen Wechselwirkungen infolge der Gebäudenutzung die wirkenden äußeren Einflüsse in unterschiedlichen Varianten zu quantifizieren und den daraus resultierenden Luftaustausch mit damit verbundenen Wärme-, Feuchte- und Schadstofftransporten im Gebäudeinneren vorherzusagen.

Vorteile:

  • exakte Kenntnis der infiltrationsbedingten Gebäudedurchströmung
  • Vorhersage von sich daraus ergebenden Problemzonen im Gebäude
  • genaue Vorgaben über abzudeckende Lasten für die Anlagenauslegung
  • Diskussion kritischer Grenzwerte auf Grundlage der Wetterbedingungen
  • Aussagen zur Einhaltung der Türöffnungskräfte (z.B. bei Hochhäusern)
  • Planungssicherheit für die weitere Fachplanung

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Aufgrund der Komplexität vieler Bauwerke kann der wirkende äußere Einfluss in Folge Infiltration oft nicht hinreichend genau mit analytischen Methoden ermittelt werden. Um sichere Aussagen für die Gestaltung des Gebäudes und deren Auswirkungen im Zusammenhang mit der Auslegung der technischen Anlagen erhalten zu können, sind hier CFD-Berechnungen zur Bestimmung der Gebäudeumströmung und der damit verbundenen Druckverteilung notwendig.

In unserem Hause werden für die Berechnungen der Gebäudeumströmung leistungsfähige Module der Software ANSYS/Fluent genutzt.

Auf der Basis eines im Vorfeld erstellten 3D-Modells Gebäudeumströmung des betreffenden Gebäudekomplexes einschließlich der relevanten Umgebungsbebauung werden die Gebäudeumströmungsberechnungen für verschiedene Windanströmungen der Windrose und Randbedingungen, wie
z. B. Windlastprofile, unter Nutzung von ANSYS/Fluent durchgeführt.

Die Simulation der Gebäudeumströmung liefert Aussagen dazu, wie ein Gebäudekomplex umströmt wird und welche Druckverteilung sich daraus am Gebäude ergibt. Zudem können auf Basis der Ergebnisse Aussagen zur lokalen Verteilung von Geschwindig­keit und Druck getroffen und für ausge­wählte Flächen vergleichend gegenübergestellt werden.

Ausgehend von den am Gebäude berechneten Druckverteilungen können die dimensionslosen Druckbeiwerte (cp-Werte) bestimmt werden. Diese Daten fließen dann als Randbe­dingung in die strömungstechnischen Berechnungen der Gebäudedurchströmung sowie der Strömungssimulation einzelner besonders zu betrachtender Bereiche ein.

Gebäudekomplex Foto: Strömung

Dimensionslose Druckbeiwerte an einem umströmten Gebäudekomplex. Verlauf der Stromlinien infolge der Gebäudeumströmung.

Leistungsbild Berechnung der Gebäudedurchströmung

Basierend auf den Leistungen der Gebäudeumströmung können für verschiedene Betriebsszenarien sowie Öffnungsszenarien Infiltrations- bzw. Durchströmungsberechnungen für die Richtungen der berechneten Windrose durch­ge­­führt werden.

Dafür wird ein Berechnungsmodell als mathematisches Knoten-Maschen-Modell erarbeitet. Ausgehend von den vorliegenden Ergebnissen können dann Aussagen zur Infiltration und damit der Beeinflussung der Innenströmung durch äußere Einflüsse getroffen, sowie gezielt Maßnahmen zu deren Beeinflussung, Nutzung  und ggf. Minimierung festgelegt werden.

Sich ergebende nutzungseinschränkende Betriebsbedingungen können so lokalisiert, aufgezeigt, mit den Planungsbeteiligten der Fachplanung diskutiert und gezielt optimiert werden. Daraus ist ein sicheres energetisches, klima- und/oder brandschutztechnisches Konzept für das Gesamtgebäude ableitbar. Zudem kann die "Verschleppung" von Wärme- und Stofflasten von einem Bereich in einen anderen aufgezeigt und minimiert werden.

Neben den zuvor genannten Aufgabenfeldern ist die Untersuchungsmethode der Gebäudeumströmung und Gebäudedurchströmung für den sicheren Betrieb von Hochhäusern im Hinblick auf die Gewährleistung der Funktion des Sicherheitstreppenhauses sowie der zugehörigen technischen Anlagen von entscheidender Bedeutung. Bei Hochhäusern sind dabei die vertikalen und horizontalen Luftbewegungen über Eingänge, Fassadenöffnungen, Aufzüge, Treppenhäuser, Installationsschächte von besonderer Bedeutung.

Auf Grund von Temperaturdifferenzen zwischen dem Gebäudeinneren und der Außenluft sowie den Winddruckunterschieden können in den Treppenhäusern und Schächten des Gebäudes beachtliche Druckdifferenzen mit ausgeprägten Unter- und Überdruckzonen entstehen. Bei ungünstigen Öffnungssituationen kann es zum Versagen der Funktion der Sicherheitstreppenhäuser kommen. Um qualifizierte Aussagen zu erhalten empfiehlt sich hier die Bewertung der Situation mittels der Gebäudeumströmung und Gebäudedurchströmung.


Modell
Knoten-Maschen-Modell sowie Ergebnisdarstellung der Auswertung der Gebäudedurchströmung

Knoten-Maschen-Modell

In dem Modell werden alle strömungsrelevanten Räume und Verbind­ungs-
querschnitte des Gebäudes modelliert. Das System wird aus Knoten und Maschen definiert, über die Druck- und Massenstrom bilanziert werden.

Strömungstechnisch gleichwertige Bereiche ohne wesentliche geometrische Änderungen bilden eine Zone. Die geometrischen Abmessungen Länge, Breite und Höhe einer Zone in dem Modell ergeben sich aus den Angaben entsprechend der Planunterlagen. Über die Verbindungen der Bereiche untereinander werden Strömungswiderstände infolge von Inhomogenitäten der inneren Gebäudestruktur, Einbauten und der Innenarchitektur berücksichtigt.

Die Anbindungen einer Zone an die äußere Umgebung folgen der Geometrie im Original. Deren Parameter entsprechen typischen Definitionen für Türen und Fenster gemäß deren Abmessungen und Funktion.

Dabei werden für alle definierten Über­ström­flächen in der Fassade die sich aufgrund der Druck- und Temperatur­unterschiede ergebenden Bilanzen gelöst, die als Ergebnis den Volumen­strom für jedes definierte Element in Abhängigkeit von den äußeren und inneren Bedingungen sowie dem Nutzungskonzept liefern. Die Berechnungen werden für alle im Rahmen der Gebäudeumströmung verschiedenen Windrichtungen ermittelten Druckver­teilungen durchgeführt.