Plädoyer für den kommunikativen Ansatz

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1 Aktuelles BHKS Produkte Bauanalyse Fachbeiträge 669 Recht Gebäudesimulation Autor Dr.-Ing. Eckehard Fiedler Fa. MW-Zander Aachen Bild 1: Einzeldisziplinen der Gebäudesimulation Plädoyer für den kommunikativen Ansatz Computersimulationen in der Gebäudetechnik Computersimulationen werden in der Gebäudetechnik unter einem hohen Kostendruck durchgeführt. Anders als z. B. in der Flugzeug- oder Autoindustrie, bei der es um die Entwicklung milliardenschwerer Projekte geht, werden Gebäudesimulationen als Planungsleistung für Einzelprojekte durchgeführt. Entsprechend kleiner fallen dementsprechend Budgets- und Zeitvorgaben aus. Der kommunikative Ansatz erweist sich hier als Königsweg für einen erfolgreichen Einsatz von Simulationswerkzeugen. Unter dem Begriff Gebäudesimulation wurde lange Jahre hauptsächlich die Berechnung des thermischen Verhaltens von Gebäuden durch Modelle der dynamischen Wärmespeicherung verstanden. Die Entwicklung solcher Modelle hatte bereits in den frühen 70er Jahren begonnen und ist noch immer Gegenstand der Forschung. Doch das Feld der Gebäudesimulation hat sich erheblich erweitert. Immer neue Aspekte der Bauphysik und Logistik werden durch Simulationsprogramme abgebildet (Bild 1): seit die Berechnung von Strömungsvorgängen auf handelsüblichen Computern möglich und erschwinglich geworden ist hat die Simulation von Raumluftströmungen (CFD ) ihren Platz auch als Planungswerkzeug in der Gebäudetechnik gefunden. Lichtsimulationen ermöglichen eine Lichtplanung unter Einbeziehung der Tageslichtnutzung. Hier kann die Wirkung unterschiedlicher Materialien und Beleuchtungssysteme bereits im Planungsstadium untersucht werden- Die Strukturmechanik berechnet und optimiert Tragstrukturen von Gebäuden. Hier lassen sich heute auch Schwingungsphänomene und dynamische Beanspruchungen am Computer untersuchen. Bei der Planung von Rettungswegen ist die Fluchtsimulation per Computer kaum noch wegzudenken. Durch so genannte Agentensysteme wird das Verhalten einzelner Personen im Panikfall dargestellt und so die Gesamtzeit zur Entfluchtung von Gebäuden ermittelt. Detailliertere Informationen über die Vielzahl der Simulationswerkzeuge gibt das Building-Tools-Directory [1] des amerikanischen Energieministeriums, das zur Zeit 318 Simulationsprogramme für die Gebäudetechnik auflistet. Die Entwicklung von Simulationsprogrammen ist in Deutschland weitgehend Hochschulinstituten vorbehalten. Gerade hier finden sich noch immer Vertreter einen reinen Lehre, die Techniken favorisieren, die für den praktischen Einsatz in der Gebäudetechnik schlicht unbezahlbar bleiben. Für den Bereich der Strömungssimulation ist dies z. B. die so genannte Large-Eddy-Simulation, die versucht, Wirbelstrukturen in Raumströmungen realistischer darzustellen und dadurch die Rechengenauigkeit zu erhöhen [2]. Die für die Durchführung solcher Berechnungen bei realen Gebäuden notwendige Rechenleistung ist exorbitant und heute praktisch nur an Hochschulrechenzentren verfügbar. So beschränkt sich der Einsatz dieser Techniken vorläufig auf einfache Prinzipstudien, während für reale Anwendungen weiterhin weniger genaue, dafür aber einsetzbare Techniken verwendet werden müssen. Für die praktische Anwendung stellt sich also die Frage, wie zum einen die Kosten zu senken und zum anderen der Nutzwert und die Qualität von Simulationen zu erhöhen ist. Für die Forschungsabteilung der MW-Zander Gebäudetechnik, die seit ca. zehn Jahren Gebäudesimulationen parallel zu experimentellen Studien durchführt, lässt sich diese Frage heute klar beantworten: Durch den kommunikativen Ansatz! Doch was verbirgt sich hinter diesem Schlagwort?

2 Bild 2: Kaltluftfluss an der Eingangstür in einem Kundenzentrum, Zuluft durch Quelleinlässe Bild 3: Zwei Varianten einer parametrischen Geometrie Der kommunikative Ansatz Ursprünglich wurde die Formulierung kommunikativer Ansatz in wissenschaftlichen Kreisen eher abschätzig verwendet für Berechnungen, die mehr Wert auf eine gute Darstellung legten als auf wissenschaftliche Präzision. Schlagwort wie Coloured Fluid Dynamics gehen in eine ähnliche Richtung, die suggeriert, dass es hier nur um bunte Bilder ohne Realitätsgehalt geht. In der Tat besteht die Gefahr, dass Berechnungswerkzeuge ohne den notwendigen Sachverstand eingesetzt werden. Nur gilt diese Kritik grundlegend für jede Art der technischen Berechnung. Gerade die bunten Bilder und dreidimensionalen Darstellungen erweisen sich in der Praxis aber nicht nur als schöne Spielerei, sondern auch als hervorragendes Kommunikationswerkzeug. In Bild 2 wurden als Beispiel die Luftflüsse im Eingangsbereich eines Kundenzentrums im Winterfall dargestellt. Neben der (als Halbzylinder dargestellten) Portalanlage sind in diesem Gebäude großflächige Quell-Lufteinlässe vorgesehen. Man erkennt im Bild, dass die warme Zuluft der Einlässe nach oben abzieht, während die kalte Außenluft durch die Tür eindringt und sich im Innenraum als Kaltluftsee ausbreitet. Das Lüftungssystem in diesem Gebäude ist im Winter weitgehend unwirksam und die eindringende Kaltluft wird auch von der vorhandenen Fußbodenheizung nicht ausreichend erwärmt, so dass es zu erheblichen Zugerscheinungen an den Arbeitsplätzen (grün) kommt. Hier liegt ein gravierender Planungsmangel vor, der durch eine ungünstige Kombination von Lüftungsanlage und Heizsystem verursacht wird. Dem erfahrenen Klima-Ingenieur sind solche Zusammenhänge auch ohne Simulation verständlich, so dass er Maßnahmen auf Basis seines Fachswissens planen kann. Für die Umsetzung ist aber eine Diskussion mit Personen notwendig, die nicht täglich mit Lüftungssystemen umgehen. Im vorliegenden Fall waren dies z. B. Verwaltungsmitarbeiter, die über die Mittelvergabe entscheiden sollten, Personen, die im fraglichen Bereich arbeiten sowie Techniker anderer Gewerke, etwa der Elektrotechnik. Auf der Grundlage einer visuellen Darstellung der Problemsituation und der möglichen Lösungen konnten alle Beteiligten schnell auf einen einheitlichen Informationsstand gebracht werden. Für Projekte dieser Art spielt die Kommunikation zwischen den Gewerken eine entscheidende Rolle und kann ein wesentlicher Faktor sein, der über das Gelingen entscheidet. Die Simulation entlässt den Ingenieur hier nicht aus seiner Verantwortung, richtige Entscheidungen zu treffen. Sie kann Ihm aber helfen, die Gründe und Konsequenzen so darzustellen, dass diese technisch weniger versierten Menschen verständlich sind. Qualitätssicherung und Kommunikation Unzweifelhaft besteht das Problem, dass es für Simulationsberechnungen keine einheitlichen Rechenvorschriften gibt, die z. B. in Normen festgelegt wurden. Im Falle eines Rechtsstreites kann sich ein Ingenieur also nicht darauf berufen, Berechnungen entsprechend den allgemein anerkannten Regeln der Technik (aardt) durchgeführt zu haben. Im Einzelfall kann es sogar ausgesprochen schwierig sein, herauszubekommen, welche Daten und Rechenvorschriften ein Simulationssystem tatsächlich verwendet hat. Schon aus Gründen der eigenen Absicherung werden daher parallel zu Simulationsrechnungen häufig noch Normberechnungen durchgeführt. Als Beispiel seien hier Kühllast-, Heizlast- oder Energiebedarfsberechnung nach den einschlägigen Normen genannt, die parallel zu einer Gebäudesimulation durchgeführt werden müssen, um gesetzliche Anforderungen zu erfüllen. In der Praxis bedeutet dies heute häufig einen erheblichen Mehraufwand, da Simulation und Normberechnung in der Regel mit unterschiedlichen Programmen durchgeführt werden, die ihre Daten häufig nicht untereinander austauschen können. Als Folge werden daher Daten mühsam von Hand in verschiedene Programme eingegeben, was zum einen eine relevante Fehlerquelle darstellt, zum anderen aber auch die Kosten in die Höhe treibt. Hier kommt ein zweiter Aspekt des Kommunikativen Ansatzes ins Spiel: die Forderung nach Kommunikation zwischen den verschiedenen Berechnungsprogrammen. Ein unzureichender und zum groß

3 Aktuelles BHKS Produkte Bauanalyse Fachbeiträge 669 Recht Gebäudesimulation Bild 4: Extraktion einer Teilgeometrie Bild 5: Stand der Implementation der IFC-Standards en Teil manueller Datenaustausch zwischen Systemen ist eine der wichtigsten Fehlerquellen und einer der Haupt-Kostenfaktoren bei der Arbeit mit Simulationssystemen. Heute ist es noch immer Stand der Technik, dass für eine Strömungssimulation, eine thermische Gebäudesimulation und eine Lichtsimulation jeweils eine komplett neue Geometrie von Hand eingegeben wird. Ausgangspunkt sind hier in der Regel Grundrisse, so dass die Umsetzung in die dritte Dimension ebenfalls in Handarbeit erfolgen muss. Und dass ein Simulationsprogramm nebenbei noch eine Heizlast-Berechnung nach DIN EN erledigt, gehört gegenwärtig noch in den Bereich des Wunschdenkens. Geometrie im Schnittpunkt Im Jahr 2000 fiel in der Simulationsabteilung der MW-Zander Gebäudetechnik die Entscheidung, zu Senkung der Simulationskosten bei der Geometrieerzeugung anzusetzen eine richtige Entscheidung wie wir heute sehen, mit vielen unerwartet positiven Folgen. Verbunden war diese Kostensenkungsmaßnahme zunächst mit einigen Investitionen, allen voran in ein leistungsfähiges 3D-CAD- System. Im CAD-Bereich hat es seit Ende der 90er Jahre eine rasante Entwicklung gegeben. Quasi als Spin-Off der Computerspiele sind selbst preisgünstige PCs heute mit leistungsfähigen 3D-Grafikkarten ausgestattet. Moderne Solid-Modelling-Systeme nutzen dies, um dreidimensionale Geometrie zu erstellen. Dabei sprechen 3D-CAD-Programme in der Regel nicht direkt die Grafikkarte des Computers an, sondern nutzen Ihrerseits Grafikbibliotheken wie Parasolid oder ACIS, die sowohl die Darstellung als auch das Speichern und Konvertieren von 3D-Objekten erledigen. Die Hersteller von CAD-Programmen programmieren daher hauptsächlich die Nutzeroberfläche rund um den Grafik-Kern, und so verwundert es nicht, dass gerade im Bereich der Nutzerfreundlichkeit ein regelrechter Wettbewerb am Markt ausgebrochen ist. Mitte der 90er war das Arbeiten in 3D noch eine mühsame und wenig effiziente Angelegenheit. Heute sind wir von diesem Stand um Lichtjahre entfernt. Moderne 3D-CAD-Programme arbeiten mit parametrischer Geometrie. Dies bedeutet, dass innerhalb einer Geometrie wichtige Relationen flexibel bleiben und Form und Größe nur über wenige Hauptparameter gesteuert werden. Im Ergebnis kann aus einer einzelnen Konstruktion nicht nur ein einzelnes Teil entstehen, sondern gleich eine ganze Baureihe in verschiedenen Baugrößen abgeleitet werden (Bild 3). Zeichnungs- und Stücklistenerstellung geschieht natürlich vollautomatisch, so dass viele zeitraubende Routinetätigkeiten heute entfallen. Für den Einsatz in einer Simulationsabteilung ist vor allem die große Leistungsfähigkeit dieser Systeme bei der Bearbeitung und Umwandlung von Geometrie entscheidend. So fällt es leicht, aus einer Grundgeometrie diverse Ausschnitte zu extrahieren (Bild 4). Für unterschiedliche Simulationsmethoden können so unterschiedliche Bereiche extrahiert und so angepasst werden, wie es die jeweilige Simulations-Aufgabe erfordert. Babylonische Verhältnisse Für den Datenaustausch zwischen CAD-Systemen haben sich eine Reihe funktionsfähiger Standards entwickelt, so dass man auf dieser Ebene Daten zwar nicht immer verlustfrei, aber doch ohne allzu großen Aufwand übertragen kann. Formate wie ACIS (*.SAT), Parasolid (*.x_t), Step (*.STP) oder IGES (*.IGS) können die meisten Systeme lesen. Bei diesen Formaten werden neben der reinen Geometrie auch Zusatzinformationen, z.b. Materialeigenschaften, übertragen. Es gibt darüber hinaus eine Reihe sehr einfacher Formate, z. B. STL (*.STL) und VRML (*.WRL), die die Geometrie nur als reine Hüllfläche darstellen können, dafür aber sehr einfach oder sehr schnell zu lesen sind. Ganz anders sieht dies im Bereich der Simulationsprogramme aus. Hier schreiben die meisten Systeme ihre Daten in individuellen Formaten, so dass ein Datenaustausch nicht möglich ist. Der Datenimport beschränkt sich in der Regel auf das Einlesen von AutoCAD-DWG-Dateien (Grundrisse), die als Vorlage für die manuelle Geometrieerstellung eingelesen werden können. Ein wesentliches Element der Rationalisierung war es also, hier eigene Datenkonverter zu programmieren, die den Datenflusse zwischen der Geometrieerzeugung und den unterschiedlichen Simulationssystemen aufrechterhalten. Ein solches Programm ist der STL-Crossconverter, dessen Nutzeroberfläche in Bild 6 abgebildet ist. Dieses Programm kann lediglich die einfachste Form der Geometrierepräsentation, nämlich das STL-Format lesen und in anwendungsspezifische Formate wandeln. Datenkonverter bilden ein zentrales Element im Workflow. Sie erlauben es, Daten zwischen leistungsfähigen Applikationen zu transformieren. Beschränkt man sich hier

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5 Fachbeiträge 669 Aktuelles BHKS Produkte Bauanalyse Recht Gebäudesimulation DWG Lichtsimulation STL Strömungssimulation Konverter 3D-Modell Ergebnis- Präsentation Bild 6: STL-Crossconverter für verschiedene Basisformate auf einfache Geometriedaten, dann bleibt die Aufgabe überschaubar und lösbar. Positive Nebeneffekte Ein unerwarteter Nebeneffekt des Einsatzes von 3D-CAD-Systemen ergab sich durch die hervorragenden Möglichkeiten, die solche Systeme heute bei der Visualisierung von Objekten bieten. Denn im Maschinenbau, für den die Systeme entwickelt wurden, ist der Nutzen einer hochwertigen Darstellung lange bekannt. Auch in der Gebäudetechnik lassen sich solche photorealistischen Visualisierungen mit Gewinn nutzen. Sei es, dass hier neue Komponenten präsentiert werden sollen (Bild 7) oder dass Einbausituationen erläutert werden müssen (Bild 8). Hier wird wieder das große Potential der dreidimensionalen Darstellung für die Kommunikation deutlich. Insbesondere die Berechnung von Schattenverläufen und Lichtbrechungen auf Oberflächen erleichtert das Verständnis komplexer Situationen. Diese für viele Techniker scheinbar nebensächlichen Aspekte machen gerade die Kommunikation mit Nicht-Techniker erheblich einfacher. Ein Bild sagt eben mehr als 1000 Worte! Ausblicke Der Einsatz von Simulationsmethoden in der Gebäudetechnik entwickelt sich rasant. Simulationsergebnisse können die gewerkeübergreifende Kommunikation erheblich erleichtern. Gleichzeitig fordert der Einsatz solcher Werkzeuge aber auch neue Kommunikationsmittel um den Aufwand bei der Dateneingabe zu verringern und damit Kosten zu senken. Die Wahl eines leistungsfähigen 3D-CAD-Systemes und durchgängiger Datenübertragung erwies sich im MW-Zander Simulationslabor als ein wichtiger erster Schritt zur Effizienzsteigerung. Ein logischer nächster Schritt ist, neben der Geometrie auch weitere Daten wie etwa Materialeigenschaften zwischen unterschiedlichen Systemen austauschen zu können. Ziel ist es, aus einer gemeinsamen Datenbasis alle notwendigen Berechnungen erzeugen zu können und so den Doppelaufwand bei der Dateneingabe zu vermeiden. Ein erfolg versprechender Ansatz für eine solche Datenbasis bietet das.ifc-format, das vor allem in den skandinavischen Ländern und den USA mittlerweile eine größere Verbreitung gefunden hat [3]. Die International Alliance for Interoperability (IAI) ist ein Zusammenschluss von Herstellern und Anwendern von Planungssoftware, der das Ziel hat, das IFC-Format weiter zu entwickeln. Neben Herstellern von namhafter CAD-Software (Graphisoft, Autodesk, Bentley, Nemetschek) finden sich hier auch Vertreter der Bauindustrie und von Kommunen. Letztere treibt vor allem das Interesse an einheitlichen Datenstandards dazu, sich mit dem Thema zu beschäftigen. Am Lehrstuhl für Heiz- und Raumlufttechnik der Universität Stuttgart wurde Ende der 90er die Struktur des IFC-Formates in einem Datenbanksystem umgesetzt. Dieses als VEC (Visual Energy Center) bezeichnete System erlaubt neben der Speicherung von Gebäudedaten auch die Integration von weiteren Datenquellen, z. B. Messdaten oder Simulationsdaten. Seit dem Jahr 2000 wird dieses System von der Firma ennovatis [4] außerhalb der Hochschule weiterentwickelt. Als Endziel hat das IFC-Format die Aufgabe, alle im Bauprozess anfallenden Daten in einem einheitlichen Format zu speichern. Aktuell gelingt dies noch nicht, wie Bild 5 zeigt. Immerhin kann bereits ein großer Teil der relevanten Baudaten in IFC abgebildet werden, so dass IFC für viele Anwendungsfälle eine gute Basis des Datenaustausches darstellt. Außerdem ist IFC ein offener Standard, der kontinuierlich weiterentwickelt wird. Die nationalen Untergruppierungen der IAI entwickeln hierzu Vorschläge, die nach Abstimmung in den Standard übernommen werden können. Der aktuelle ICF-Standard stellt also immer nur einen stabilen Kern der Entwicklung dar, während einzelne Implementationen bereits zusätzliche Attribute verwalten können. Noch ein Wort zur Technik. IFC-Daten sind strukturierte Text-Dateien, die in einem definierten Format abgelegt werden. Momentan ist dieser Formatstandard Express, eine verlustfreie bidirektionale Übertragung in XML ist möglich. Längerfristig bieten diese Standards die Gewähr, dass die Daten zumindest noch lesbar bleiben, auch wenn sich Details im Laufe der Zeit wandeln mögen. Hier kommt ein dritter Aspekt des Kommunikativen Ansatzes zum Vorschein: Tragfähige Datenaustauschstandards können nicht nur die Kommunikation zwischen heutigen Anwendungen fördern, sie erhöhen auch die Wahrscheinlichkeit, dass Baudaten über die gesamte Lebenszeit eines Gebäudes zugreifbar bleiben. Denkt man heute einmal 15 Jahre zurück, dann stellt man fest, dass sich die Computertechnik so gravierend geändert hat, dass wir mit den Daten der damaligen Zeit heute nur noch wenig anfangen können, wenn sie denn überhaupt noch lesbar sind. Damit dies in 15 Jahren nicht genauso aussieht sind noch erhebliche Anstrengungen nötig. Der Kommunikative Ansatz ist sicher auch hier ein Weg in die richtige Richtung

6 Bild 7: Darstellung der Einbausituation in einer Brüstung Bild 8: Visualisierung eines Brüstungs-Gerätes im CAD-System Literatur [1] Building Energy Software Tools Directory des US-Department of Energy, DOE, directory/ [2] Einsatz der Large-Eddy-Simulation (LES) für Raumluftströmungen; Deutscher Kälte- und Klimatechnischer Verein, Tagungsband, Bonn, 2003 [3] Website der IAI, [4] Website der ennovatis,

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