Strömungssimulation

Mit der numerischen Strömungssimulation (CFD, Computational Fluid Dynamics) wird der Wärme- und Stofftransport mit hoher räumlicher Auflösung untersucht.

Sie stellt damit im Rahmen der Planung eine wichtige Ergänzung der Untersuchungen zur thermischen Gebäudesimulation dar und ermöglichen konkrete Vorhersagen z.B. hinsichtlich des thermischen Komforts an einem Büroarbeitsplatz, der Schadstoffkonzentration in einer Tiefgarage, den Sichtweiten im Brandfall. Im Falle von Brand- und Entrauchungssimulationen erlaubt eine hohe zeitlich Auflösung die Berechnung der zeitlichen Entwicklung sicherheitsrelevanter Kriterien (Rauchkonzentrationen, Lufttemperaturen, Sichtweiten).

Da bei der Berechnung der Strömung die konkreten gebäude- und anlagentechnischen Details, wie U-Werte der Umfassungsflächen, Art und Lage der Zuluftöffnungen und vieles mehr Eingang finden, können damit unterschiedliche Systeme bzw. Konzepte verglichen und optimiert werden.

Vorteile:

  • Kostengünstige Untersuchung von verschiedenen Konzepten im Vorfeld der Planung, Systemen, Lösungsansätzen
  • Untersuchung von wenn-dann-Szenarien
  • Nachweis der Wirksamkeit von nicht nach Norm ausgelegten Anlagen, insbesondere bei Sonderbauten
  • Optimierung der TGA auf Basis von definierten Zielgrößen

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Die numerische Strömungssimulation (CFD, Computational Fluid Dynamics) bietet umfassende Möglichkeiten, den Wärme- und Stofftransport mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu untersuchen. Sie ergänzt damit die thermische Gebäudesimulation, bei der das Berechnungsgebiet in größere Zonen aufgeteilt wird, in denen die Kenngrößen Temperatur und ggf. Strahlung nur als Mittelwerte über einen Raum bestimmt werden.

Im Rahmen der Strömungssimulation werden neben der Lufttemperatur und den Strahlungsflüssen auch die Luftgeschwindigkeiten und die Konzentrationen z.B. von Schadstoffen im Berechnungsgebiet jeweils lokal ermittelt.

Hierbei kann die spezielle Charakteristik der lufttechnischen Anlagen im Zusammenhang mit den besonderen Gegebenheiten des Raumes oder Objektes berücksichtigt und ihr Einfluss auf z.B. lokale Kennwerte des thermischen Komforts berechnet werden.

DAZU GEHÖREN:

  • die Art und die Lage der Lufteinbringung (Drallauslässe, Schlitzschienen, ...)
  • die Zulufttemperaturen
  • die Lage der Abluftöffnungen
  • der Aufbau der Umfassungsflächen (opake/transparente Anteile, Materialien, Wärmeleitfähigkeit, ...)
  • die Art und Position von Sonnenschutzeinrichtungen
  • Infiltrationswerte (aus der Gebäudeum- und Gebäudedurchströmung)

und andere mehr. Solche Strömungssimulationen dienen damit der Sicherung der Funktionalität schon im Vorfeld, damit später teure Anpassungen vermieden werden. Die aufgeführten Einflussgrößen stellen aber gleichzeitig die Parameter dar, mit denen eine Optimierung der gesamten TGA erfolgen kann.

Im Rahmen der Strömungssimulationen wird ein vertieftes Verständnis der Zusammenhänge und Wechselwirkungen erreicht. Durch eine Bewertung verschiedener Konzepte, des jeweils nötigen Energieeinsatzes und des Einflusses der Anlagenparameter auf die Einhaltung der geforderten Behaglichkeit ist dadurch in der Regel eine deutliche Senkung der Investitions- und Betriebskosten möglich.

Vor dem Hintergrund steigender Anforderungen an die Energieeffizienz der Gebäude, der (gerade bei Sonderbauten) oft komplexen Wechselwirkungen einzelner Bereiche des Gebäudes untereinander, sowie des Gebäudes mit seiner Umgebung, gewinnen solche Berechnungen noch zusätzlich an Bedeutung.

Eine weitere Anwendung der Strömungssimulation ist die Untersuchung von Brand- und Entrauchungsszenarien. Hierbei ist neben einer räumlichen auch eine hohe zeitliche Auflösung nötig. Sowohl der Brand (Leistung, Stoffumsatz, ggf. Brandort und -ausdehnung) als auch die Bedingungen in der Umgebung (als Folge der Ausbreitung der Rauchgase) verändern sich zeitlich meist sehr schnell.

Eine Bewertung verschiedener Ansätze zur natürlichen oder mechanischen Entrauchung erlaubt auch hier oft eine Optimierung, wobei dann die Schutzziele, wie z.B. die Bedingungen für die Selbst- und Fremdrettung oder den Löschangriff der Feuerwehr im Mittelpunkt stehen.

Simulationsprogramm ANSYS/Fluent

Die Strömungssimulation wird bei INNIUS mit dem Programm ANSYS/Fluent durchgeführt. Dieses Programm basiert auf der Finiten-Volumen-Methode und löst numerisch die Transportgleichungen für Impuls-, Wärme- und Stofftransport sowie die Turbulenz im dreidimensionalen Raum.

Zur Strömungsberechnung wird ein im Allgemeinen dreidimensionales CAD-Modell des zu untersuchenden Raumes bzw. Gebäudes mit allen relevanten Einbauten erstellt. Der Raum wird anschließend in kleine Zellen unterteilt (die sog. finiten Volumen), deren Größe und Anzahl abhängig ist von der benötigten räumlichen Auflösung und der Größe des Berechnungsgebietes.

Modelle mit mehreren Millionen Zellen sind durchaus üblich. In jeder Zelle werden die Bilanzgleichungen für den Wärme- und Stofftransport gelöst.Da die zugrunde liegenden Transportgleichungen nicht-linear und miteinander gekoppelt sind, erfolgt die Berechnung iterativ.

Neben dem CAD-Modell dienen die Ergebnisse der Gebäudesimulation, wie Kühl- und Heizlast, sowie Oberflächentemperaturen, als Grundlage für die Strömungssimulation. Ergebnisse der Gebäudeum- und Gebäudedurchströmung werden für die Festlegung der Randbedingungen aus der Infiltration herangezogen.

 

Anwendungsbeispiel

Am Beispiel des Casinos der Hypovereinsbank AG in München wird gezeigt, wie ausgehend von den Ergebnissen der Gebäudesimulation (Ermittlung der Kühllast, des Luftvolumenstromes und der Oberflächentemperaturen) durch Veränderungen am Lüftungsanlagensystem, einschließlich der Lage, der Art und der Größe der Zuluftauslässe, die zur Sicherung der geforderten Raumluftparameter notwendige Raumdurchströmung erreicht wurde. In diesem Fall wurde im Zuge der Simulationen ein neuer Luftauslass entwickelt.


Hypovereinsbank AG München, Casino
Innius Beispiel 3

Strömungsgeschwindigkeit [m/s]
Innius Beispiel 4
Temperaturverteilung [°C]