Von ADELINE bis WINSIM: Rechenprogramme der erg

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1 Von ADELINE bis WINSIM: Rechenprogramme der erg Viktor Dorer 1, Markus Koschenz 1, Thomas Frank 2, Karim Ghazi Wakili 2 1 EMPA Abt. Energiesysteme/Haustechnik und 2 Abt. Bauphysik, 8600 Dübendorf Mitglieder des Zentrums für Energie und Nachhaltigkeit im Bauwesen, ZEN viktor.dorer@empa.ch, thomas.frank@empa.ch, Therm. Komfort HELIOS, TRNSYS Ökologie OGIP Energie TRNSYS, HELIOS Feuchtetransport HELIOS-HYGRO WUFI, GLASTA Tageslicht ADELINE (SUPERLITE, RADIANCE) RELUX Wärmedurchgang EUROKOBRA, INSTAT2 ISO2, KOBRU86, TRISCO, BISCO Komponenten GLAD, WIS, WINSIM HLK-Systeme TRNSYS Lüftung,Luftqualität COMIS, TRNSYS FLOVENT (CFD) Themenbereiche und die entsprechenden Programme, die durch die Energierechengruppe betreut und eingesetzt werden Zusammenfassung Die Planung von energetisch und - weiter gefasst - ökologisch optimierten Bauten bedingt heute die Betrachtung des Gebäudes als Gesamtsystem. Die interdisziplinäre und ganzheitliche Problembetrachtung bei der numerischen Untersuchung von Gebäuden und Komponenten steht auch bei der Energierechengruppe der EMPA (erg) im Vordergrund. Der Beitrag gibt eine Übersicht über die von der erg abgedeckten Themenbereiche und die von ihr betreuten und eingesetzten Simulationsprogramme. Zu den Programmen werden die momentanen Anwendungsmöglichkeiten, die neuesten Entwicklungen sowie aktuelle Anwendungsbeispiele aufgezeigt. Résumé La conception de constructions optimisées sur le plan énergétique et aussi, au sens large, sur le plan écologique exige aujourd'hui une prise en considération du bâtiment comme un système global. L'approche interdisciplinaire et globale dans les analyses numériques de bâtiments et de composants est aussi une des préoccupations majeures du groupe de recherche sur l'énergie (erg) de l'empa. Cette contribution donne une vue d'ensemble des thèmes traités par l'erg et des programmes de simulation qu'il utilise et dont il assure l'assistance technique. Les possibilités d'utilisation actuelles, les développements les plus récents ainsi que des exemples d'application récents sont donnés pour chaque programme. Summary The design of optimised building in terms of energy and in a wider scope, of ecology requires to see the building as an integral system. The interdisciplinary and integral approach in the numerical analysis of the building and its components is also a major aim of the building energy simulation group at EMPA (erg). This paper gives an overview of the topics covered by the erg and of the simulations codes developed an used by the erg. For the individual codes, application possibilities and limits are highlighted, new developments are described and a few application examples are given. 171

2 1. Die Energierechengruppe der EMPA (erg) Die Energierechengruppe erg der EMPA, 1986 mit Unterstützung des NEFF gegründet, wird auch innerhalb des neuen Zentrums für Energie und Nachhaltigkeit im Bauwesen "ZEN" von den Abteilungen Bauphysik und Energiesysteme/Haustechnik weitergeführt und sichert damit die Kontinuität und den Wissenserhalt im Bereich der numerischen Modellierung im Gebäudebereich. Die interdisziplinäre und ganzheitliche Problembetrachtung steht dabei im Vordergrund (siehe Figur Titelseite). Die im Rahmen von Forschungsarbeiten aufbereiteten Simulationsprogramme werden in der erg gewartet und weiterentwickelt und der Praxis direkt als Softwarepaket und in Kursen oder indirekt als Dienstleistung zugänglich gemacht. 2. Simulation und Messung Beide EMPA Abteilungen legen auch grosses Gewicht auf die gemeinsame Anwendung von Messung und Simulation. Dies führt zu einer qualitativen Verbesserung der Messungen wie auch der Simulationen. Messen Simulation Heizkasten, Plattengeräte, Klimakammer U-Wert Wände a-wert Fenster Wärme-, Feuchteund Lufttransport Solarprüfstand Luftströmkammer LSK Komfortanalyser / Tracergas Blowerdoor/Thermografie Messung Hot Box Temperaturen, Leistungen, Energien an Anlagen, Systemen und am Gebäude Simulation TRISCO Strahlungsgewinn, Energiebilanz Strömungen, Heiz-/Kühlsysteme Thermischer Komfort, Luftqualität Luftaustausch, Wärmebrücken Gebäude- und Systemsimulation 3. Qualitätssicherung Ein wichtiges Anliegen der erg ist auch die Qualitätssicherung, sowohl die der Programme als auch diejenige für den ganzen Simulationsprozess (siehe auch [1]). Modelle und Algorithmen in den Programmen werden durch Vergleiche mit Messwerten verbessert und validiert, die Programme werden anhand von Benchmark-Test und Quervergleichen mit anderen Programmen und mit analytischen Resultaten überprüft. Der Simulationsprozess selber folgt einer ausführlichen Ablauf-Beschreibung mit thematischen und programmspezifischen Checklisten. Es werden auch Anforderungen an die Durchführenden einer Simulation und die gegenseitige Kontrolle spezifiziert. 4. Anwendungsbereiche und zukünftige Entwicklungen Am Beispiel eines fiktiven Bürogebäudes (Figur 1) werden im folgenden die von der erg behandelten Themenbereiche im einzelnen aufgegriffen und der momentane Stand der Anwendungsmöglichkeiten und deren Grenzen für die verschiedenen Programme aufgezeichnet. Ein Teil der Programme ist zusammen mit Anwendungsbeispielen auch in [2] beschrieben. 172

3 PV-Anlage Direktstrahlung Tageslicht G D Solarkamin H Wärmebrücken A Atrium VD EMPA 175 Erdkanal Hybride Belüftung mit Zuluftventilator E C Gebäudedynamik, Strahlungsflächen Thermoaktive Bauteilsysteme B Kanalströmung, Durchlässe, Kippfenster F Verglasung Doppelfassade Sonnenschutz Figur 1: Beispielgebäude mit den verschiedenen im Text aufgegriffenen Themen Atrien, grosse Räume (A) In der neuen TRNSYS Version 15 können nun auch Fenster zwischen Zonen berücksichtigt werden. Kurzwellige Strahlung wird deshalb nun realitätsnaher z.b. von einem Atrium in den angrenzenden Büroraum geleitet. In grossen Räumen ist die vertikale Temperaturschichtung zu berücksichtigen. Raummodelle mit nur einem Luftknoten genügen oft nicht. In TRNSYS kann das für Quelllüftung entwickelte Modell mit Knoten für die Bodenoberfläche, für die Aufenthaltszone und für die Abluft verwendet werden. Neue Entwicklungen erlauben auch eine Strahlungsverteilung entsprechend der Geometrie, nicht nur entsprechend der Flächengewichtung. In COMIS kann ebenfalls ein Lufttemperaturgradient eingegeben werden. Für die Modellierung grosser Räume mit COMIS sollte allerdings ein mehrzelliges Raummodell (zonales Modell) formuliert und integriert werden. In vielen Fällen ist eine kombinierte Anwendung von thermischem Modell und von CFD sinnvoll: Mit dem dynamischem Modell werden zeitliche Verläufe der Temperaturen bestimmt, und mit CFD für ausgewählte kritische Fälle der örtliche Verlauf Temperaturen und Geschwindigkeiten (Luftzug). Für die Bestimmung des Luftabfalls von kalten Flächen muss ggf. eine transiente CFD Simulation durchgeführt werden, um realitätsgerechte Resultate zu erhalten [3]. 173

4 5. Verglasungen, Sonnenschutz, Doppelfassade (B) Schwierigkeiten bei den Simulationen bietet immer wieder die Festlegung von Verglasungsdaten. Für die Planung werden zuverlässige Angaben zum Wärmedurchgang und zum Sonnenschutz von Fensterkonstruktionen benötigt. Im Rahmen der europäischen Normierung wurden einheitliche Grundlagen geschaffen, um diese wärmetechnischen Kennwerte auf rechnerischer Basis zu ermitteln. Diese Berechnungsverfahren setzen jedoch die Kenntnis der Spektraldaten aller verwendeter Schichten im kurz- und langwelligen Bereich voraus. Das Programm GLAD erlaubt die Berechnung des Wärmedurchgangskoeffizienten (k-wert) und des Gesamtenergiedurchlassgrades (g-wert) einer Verglasung oder einer ganzen Fensterkonstruktion. Für Fragen des Sonnenschutzes und des thermischen Komforts kann eine Beurteilung der Oberflächentemperaturen sowohl mit normierten Randbedingungen als auch mit standortspezifischen Klimadaten durchgeführt werden. Das Rechenprogramm läuft unter MS-Windows, die Erhebung der Datensätze wurde in enger Zusammenarbeit mit der Industrie durchgeführt. Figur 2: Temperaturprofil der Verglasung und Innenstore (total drei Schichten) über 2 Sommertage (29./ ) am Standort SMA* Für TRNSYS sind allerdings zusätzlich richtungsabhängige Daten festzulegen. Diese sind oft nicht einfach zu beschaffen. Strahlungsdurchgang, Absorption und Reflektion müssen nicht nur an den einzelnen Scheiben, sondern auch an den Sonnenschutzlamellen (innen-, dazwischen- oder aussenliegend) bestimmt werden. Bei hinterlüfteten Systemen sowie insbesondere bei Doppelfassadenkonstruktionen, müssen auch die Konvektionsströmung im Zwischenraum und deren Einfluss auf den Energieaustausch bestimmt werden. Dazu sind in der erg neue Ansätze entwickelt worden (WINSIM). Modellentwicklungen und deren Validierung durch Messungen im Solarprüfstand der EMPA Abt. Bauphysik sind auch Gegenstand neuer Forschungsprojekte. Mit TRNSYS-COMIS kann auch die Interaktion von Gebäudedurchströmung und Strömung im Doppelfassadenraum genauer erfasst werden. Für eine detaillierte Untersuchung der lokalen Strömungsverhältnisse müssen CFD Programme eingesetzt werden. Die externe Verschattung durch Gebäudeteile und Nachbargebäude muss sowohl in HELIOS wie auch in TRNSYS mittels Zusatzprogramme bestimmt werden. Eine Integration dieser Berechnungsmöglichkeit in die Simulationsprogramme wäre sehr wünschenswert. 6. Gebäudedynamik und Strahlungsflächen (C) Heute werden vielfach Strahlungsflächen sowohl massive Bauteile (Boden, Decken und Wände) wie auch aktive Elemente - zur Kontrolle der thermischen Verhältnisse im Gebäude eingesetzt. Die Massen werden durch Nachtlüftung oder durch thermoaktive Bauteilsysteme (Betonkernkühlung) regeneriert. Ein neues Modul in TRNSYS erlaubt auf einfache Weise die Modellierung und Auslegung von solchen Systemen (siehe unten, Kap. 7). An die Raummodelle selber werden heute 174

5 erhöhte Anforderungen gestellt. Der konvektive Energie- und der Strahlungsaustausch im Raum müssen getrennt und detailliert erfasst werden können. Sowohl in HELIOS wie teilweise auch in TRNSYS müssen die Raummodelle deshalb an die neuen Bedürfnisse angepasst werden. Natürliche Lüftungssysteme, Solarkamin (D), hybride Belüftung (E) Bei natürlicher Belüftung besteht oft das Problem zu kleiner treibender Kräfte. Die Lage der Neutralebene sollte zudem möglichst hoch sein, damit auch die oberen Stockwerke mit Aussenluft versorgt werden können (Figur 3). Unterstützend kann deshalb ein Solarkamin resp. ein Zuluft- Ventilator eingesetzt werden. Im Falle der mechanischen Unterstützung wird von hybrider Belüftung gesprochen. Diese ist Gegenstand von EU- wie auch IEA-Forschungsprojekten. Die Berechnung mit TRNSYS-COMIS erlaubt die Erfassung der Interaktion zwischen den thermischen Verhältnissen und den Luftströmen und somit die Bestimmung des thermisch getriebenen Luftaustausches [4]. Geeignete Regelungskonzepten können in vielen Fällen nur mit Hilfe von Simulationen festgelegt werden. Unberücksichtigt bleibt hingegen bis jetzt in den Simulationen, dass einströmende Zuluft aus dem Fassadenbereich durch die Erwärmung entlang der Fassade deutlich über der Umgebungstemperatur liegen kann (Figur 3). Modellansätze und Messungen sind aber vorhanden, was eine spätere Integration eines Modells in die Programme ermöglichen wird. Druck p Druck p Neutralebene Neutralebene Fassadenströmung VD EMPA 175 Figur 3: Die Lage der Neutralebene kann mit einem Solarkamin nach oben verschoben werden, und somit die Durchlüftung der oberen Stockwerke verbessert werden Durchlässe, Kanalströmung (F) Für natürliche Lüftungssysteme ist die korrekte Erfassung der Strömungswiderstände und damit die Abstimmung der Öffnungs- und der Kanalquerschnitte wichtig. Mit COMIS kann die Durchströmung von Kippfenstern und von Kanälen nachgebildet werden. Kompliziertere Kanalsysteme mit T-Verbindungen sind in COMIS aber immer noch etwas problematisch, ebenso die Berücksichtigung von dynamischen Effekten, ein wichtiger Punkt bei Doppelfassaden- und Abluftschächten. Lüftungssysteme, Luftqualität Durch die modulare Struktur von TRNSYS ist die Nachbildung einer Lüftungsanlage aufwendig und oft auch problematisch (Konvergenzprobleme). Es besteht deshalb der Bedarf für ein integrales Lüftungssystemmodul. Als Resultate von Forschungsprojekten stehen auch weitere Luftkollektorsysteme zur Verfügung. Quelllüftung kann mit dem von der erg entwickelten Modell in TRNSYS schon seit längerem modelliert werden. In der Kombination mit dem Feuchtemodul oder mit COMIS können feuchteoder CO 2 -gesteuerte Systeme simuliert werden. 175

6 Tageslichtnutzung (G) Im Programmpaket ADELINE werden für die lichttechnische Berechnung die Programme SUPER- LITE und RADIANCE und für die Kopplung mit dynamischen, thermischen und energetischen Gebäudebilanzverfahren die Programm SUPERLINK und RADLINK verwendet. Ergebnisse der Berechnungen erlauben Aussagen über Beleuchtungsstärkeverteilungen, Tageslichtquotientenverlauf, Leuchtdichte und Beleuchtungsstärkeverläufe auf Bauteiloberflächen, visuellen Komfort sowie Energieaufwand zur Sicherstellung der geforderten Nennbeleuchtungsstärke. Berechnungen werden aktuell vor allem für lichtoptimierende Lammellen, die Sonnenschutz und Lichtlenkung kombinieren, durchgeführt. Für TRNSYS gibt es auch ein Modul für Tageslichtberechnung. Mit der zukünftigen geometrischen Gebäudebeschreibung wird die integrierte Tageslichtberechnung einfacher. Wärmedurchgang und Feuchtetransport in Bauteilen (H) Die Berechnung des Temperaturverlaufes innerhalb und an den Oberflächen von Baudetails erlaubt eine Analyse des Wärmeverlustes und des Kondensationsrisikos. Ein einfaches Hilfsmittel für Planer ist der Wärmebrückenkatalog EUROKOBRA mit ca Baudetails(stationäre Randbedingungen und 2-dimensionaler Temperaturverlauf). Für anspruchsvollere Details [5] stehen für die Bestimmung des Temperaturverlaufes im stationären Fall die Programme ISO2, KOBRU86, BISCO (2-dimensional) und TRISCO (3-dimensional) zur Verfügung. Für instationäre oder quasistationäre Aufgaben (Wärmespeicherung, Jahresverläufe etc) werden die Programme SECTRA (2-dimensional) und VOLTRA (3-dimensional) eingesetzt. Ein weiterer Aspekt in der Beurteilung von Baudetails ist der Feuchtetransport. Die Bestimmung der Feuchteverteilung innerhalb von Baudetails ist für den Feuchteschutz unerlässlich. Hierzu wird einerseits das Programm GLASTA basierend auf der einfacher Glaser-Methode verwendet, und andererseits die anspruchsvolleren Programme WUFI (1-dimensional) und WUFI 2D (2-dimensional) eingesetzt. Die beiden letztgenannten Programme bestimmen die gekoppelten Verläufe der Temperatur und der Feuchte. Figur 4: Temperaturverteilung in der Unterkonstruktion einer hinterlüfteten Fassade (stationäre, 3-dimensionale Berechnung mit TRISCO) 7. Beurteilungskriterien Thermischer Komfort Für die Bestimmung der empfundenen Temperatur müssen die Oberflächentemperaturen und daraus der Strahlungseinfluss berechnet werden können. Mit der Flächenmittelung sind nur Aussagen für eine mittlere Raumposition möglich. Eine detaillierte Erfassung der Geometrie erlaubt die Berechnung von Einstrahlzahlen und somit die Komfortbestimmung für einen beliebigen Standort im Raum. Der Einfluss der Direktbestrahlung auf das Komfortempfinden kann aber bis jetzt nicht berücksichtigt werden. Bei frei schwingenden Gebäuden mit Selbstregulation stellt sich für die Beurteilung des Komforts auch verstärkt die Frage der Berücksichtigung der zeitlichen Aspekte (Überschreitungszeiten). 176

7 Wichtig ist auch der Feuchteeinfluss auf den thermischen Komfort. In TRNSYS steht neu ein Feuchtemodell zur Verfügung. Auch das Programm HELIOS wird mit einem Feuchtetransportmodul (HELIOS-HYGRO, [6]) erweitert werden. Für die Bestimmung der lokalen Temperaturverteilungen und des Luftzugrisikos müssen für kritische Fälle Berechnung mit CFD Programmen durchgeführt werden. Ökologie Eine detaillierte ökologische Beurteilung eines Gebäudes erlaubt das Programm OGIP. Es wird am Status-Seminar in einem separaten Beitrag erläutert. 8. Weiterentwicklungen Programme Zusammenfassend stehen für die von der erg eingesetzten Programme zur Zeit folgende Entwicklungsarbeiten im Vordergrund: ADELINE COMIS EUROKOBRA GLAD HELIOS OGIP TRNSYS WINSIM Version 2.1: Verbesserungen im Rahmen des IEA Task 21, Portierung auf Windows NT Neue Version 3.1 wird per Ende 2000 ausgeliefert. Code und Handbuch sind stark überarbeitet. Wärmebrückenkatalog als public domain CD Ergänzungen, Internet-Lösung mit SZFF Entwicklung Feuchtemodell (HELIOS-HYGRO), Integration Fensterlüftung und verbesserte Modelle für Sonnenschutzsysteme, Anbindung an IDEA und THERMO Einführung mit Kursen. Ergänzung und Unterhalt der Datenbasis im Rahmen von Forschungsprojekten Neue Version 15.0 mit Bauteilkühlung, siehe unten. Programm SimCad für die geometrische Eingabe. Verbesserte Modelle für Sonnenschutzsysteme und Doppelfassadenkonstruktionen. Verbessertes Kühlturmmodell. Verbesserung Berechnungsmöglichkeiten für natürliche Lüftung (COMIS-TRNSYS) Arbeitstitel für ein in Entwicklung stehendes Programm für die integrale Berechnung von Verglasungen mit Sonnenschutz und Belüftung, inkl. Doppelfassaden 9. Beispiel: Dimensionierung von thermoaktiven Bauteilsystemen mit TRNSYS Thermoaktive Bauteilsysteme (tabs) sind mittlerweile eine verbreitete Technologie zur Kühlung respektive zur Beheizung von Büro- und Gewerberäumen. Durch den aktiven Einbezug der Gebäudemasse in das Energiemanagement, hervorgerufen durch die in den Geschossdecken einbetonierten wasserdurchflossenen Rohre, stellen sich neue Anforderungen an den Planungsprozess. Die haustechnischen Anlagen können nicht mehr auf einfache Weise anhand stationärer Modelle ausgelegt werden. Im speziellen bei thermoaktiven Bauteilsystemen sind zwei Dimensionierungsverfahren möglich. Entweder kann das System anhand der an der EMPA entwickelten Dimensionierungsgrundlagen [7] oder bei heiklen Objekten unter Zuhilfenahme einer thermischen Simulationsberechnung dimensioniert werden. Dazu wurde an der EMPA ein Berechnungsmodell für thermoaktive Bauteilsysteme [7] entwickelt, dass standardmässig in TRNSYS 15 integriert ist, und das anhand der Messungen im Neubau der Messe Zürich überprüft wurde. Für die Berechnungen werden nebst den gebäudespezifischen Angaben die Daten des thermoaktiven Bauteilsystems benötigt. Die Eingabeparameter für das tabs-modell sind: Spezifischer Wassermassenstrom Rohrabstand Rohrdurchmesser, Rohrwandstärke und Rohrlänge Wärmeleitfähigkeit des Rohrmantels und des Bauteils Durch den direkten Einbau des tabs -Modells in TRNSYS 15 sind keine spezifischen Kenntnisse über die Modellierung im Programm nötig. Die aufgeführten Parameter werden auf einfachste Weise in der Windows-Benutzeroberfläche eingegeben. 177

8 Bei der Planung eines thermoaktiven Bauteilsystems steht meist die Wahl des geeigneten Rohrsystems im Vordergrund. Das Rohrsystem, im Zusammenspiel mit den Bauteilen, stellt aber nur einen Teil des Gesamtsystems dar. Die Verbindung des Rohrsystems mit der Kälte- und Wärmeerzeugung, über verschiedenen Wärmetauscher, muss ebenfalls in die Auslegung miteinbezogen werden. Nur so ist eine ganzheitliche Optimierung des Systems möglich. In Figur 5 ist die Verknüpfung des thermoaktiven Bauteilsystems mit dem besprühten Rückkühler, welcher durch einen Plattenwärmetauscher vom Primärwasserkreis getrennt wird, dargestellt. Figur 5: Wärmetauscherkette bestehend aus thermoaktivem Bauteilsystem, Plattenwärmetauscher und besprühtem Kühlturm Eine solche Optimierung konnte durch die EMPA Abteilung Energiesysteme/Haustechnik, in Zusammenarbeit mit dem Ingenieurbüro Gruenberg & Partner AG, für den kurz vor der Inbetriebnahme stehenden Neubau der Swiss Re am Soodring 6 in Adliswil durchgeführt werden. Die Gebäudekühlung wird mittels des in Figur 5 dargestellten Konzeptes betrieben. Für den Plattenwärmetauscher und den Kühlturm können entweder einfache Berechnungsgleichungen oder in TRNSYS vorhandene Modelle eingesetzt werden. Durch die erg wurde zudem kürzlich ein verbessertes Kühlturmmodell entwickelt. 10. Referenzen [1] CIBSE Application Manual 11, Building and environmental modelling, Chartered Institute of Building Services Engineers (CIBSE), London, [2] Dorer V., Breer D. (Ed.): Integrales Planen mit Gebäudesimulationsprogrammen, Dokumentation der EMPA Energierechengruppe, Dübendorf, 1997 [3] Dorer V., Schälin A.: On the combined application of thermal and CFD modelling in the design of naturally ventilated industrial halls. Proceedings Roomvent 2000 conference, 9-12 Juli 2000, Elsevier, UK [4] Dorer V., Weber A.: Air, contaminant and heat transfer models: Integration and application, Energy and Buildings, 30, 1999, p [5] SZFF-Richtlinie: Bestimmung der wärmetechnischen Einflüsse von Wärmebrücken bei vorgehängten hinterlüfteten Fassaden,1998 [6] Frank Th., Ghazi Wakili K., Simmler H.: HELIOS-HYGRO, Ein Simulationsmodell zur thermisch-hygrischen Gebäudeanalyse, BAM Feuchtetag 99, Berlin 7./8.Okt.1999 [7] Koschenz M., Lehmann B.: Handbuch Thermoaktive Bauteilsysteme tabs, EMPA Abt. Energiesysteme/Haustechnik, Dübendorf,