Berechnungstools im Gebäudebereich BIM-Kompatibilität

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1 Berechnungstools im Gebäudebereich BIM-Kompatibilität 25. August 2016 Prof. Gerhard Zweifel Hochschule Luzern Technik & Architektur Abt. Gebäudetechnik / ZIG 6048 Horw

2 Vorbemerkung - Sehr grosses Spektrum an Tools - Unterschiedliche Komplexität - Von der gesamtheitlichen Betrachtung bis zum sehr speziellen Teilaspekt - Kein Anspruch auf Vollständigkeit - Allfällige Auslassungen nicht beabsichtigt, Schwerpunktsetzungen hingegen schon 2,

3 Ausgangspunkt - Wer Gebäude und Energie denk, denkt vorerst an SIA 380/1 - Heizwärmebedarf von Gebäuden - Berechnungszeitschritt: 1 Monat - Behördlich vorgeschrieben - Grundlage auch für Minergie (Wohnbauten) - Zahlreiche Tools (meist EXCEL-basiert) - Zertifizierungsprogramm durch BFE - in einigen grösseren/komplexeren Rechentools als Berechnungsgang implementiert - Grundlage auch für GEAK 3,

4 Anwendungen / Fragestellungen - Komfort / Behaglichkeit - Sommerlicher / winterlicher Wärmeschutz - Energiebedarf - Heizen - Kühlen - Be-/Entfeuchten - Warmwasser - Beleuchtung - (Geräte = Randbedingung) - Leistungsbedarf - Dimensionierung der gebäudetechnischen Anlagen - > Rückwirkung auf Energiebedarf - Teilaspekte der Gebäudetechnik (Nutzungsgrad) - Optimierung 4,

5 Normengrundlagen SIA 380:2015 «Grundlagen für energetische Berechnungen von Gebäuden Nichtklimatisierte Gebäude Klimatisierte Gebäude SIA 380/1, SIA 384/3 - Heizwärmebedarf - Normheizleistung - Systemverluste / Nutzungsgrad nein SIA 382/1 - Allg. Anforderungen - Kühlbedarf - Befeuchtungsbedarf Kühlung oder Be-/Entfeuchtung? ja SIA 382/2, MB Heiz-/Kühlleistung - Heiz-/Kühlenergie - Hilfsenergie - (übrige el. Energie) - Endenergiebedarf - Primärenergiebedarf - Treibhausgasemiss. SIA 180: Sommerlicher Wärmeschutz Verfahren 3

6 SIA 382/2: Rechenverfahren - «Für klimatisierte Gebäude ist ein Rechenverfahren anzuwenden, welches die Berechnung des thermischen Leistungsbedarfs, des gebäudeseitigen Heizwärme- und Klimakältebedarfs sowie bei Bedarf der thermischen Leistung für Be- und Entfeuchten in einem Zeitschritt von 1 h oder weniger ermöglicht» - Grundsätzlich alle Rechenverfahren, welche Anforderungen gemäss EN und EN erfüllen (Validierung) -> Simulationsprogramme wie IDA-ICE etc. zulässig - In SIA MB 2044: vereinfachtes dynamisches Rechenverfahren (Standardrechenverfahren) im Stundenschritt beschrieben - Verfahren wird in der Rechenhilfe (= SIA TEC Tool) verwendet Download unter 6,

7 SIA 382/2:2011 Zweck - Gesamtheitliche Optimierung des Energieeinsatzes für den Betrieb klimatisierter Gebäude - Heiz- und Kühllastberechnungen zur Auslegung von Anlagen und Komponenten - > Ein Verfahren für - Heizen und Kühlen - Last und Energie - Ziel: nur ein Tool für Planung und Nachweise von klimatisierten Gebäuden (Ersatz für SIA 380/1, 380/4, , 384/3)

8 SIA-TEC-Tool Anwendungen Dynamischer Kühl- und Heizleistungsbedarf nach SIA 382/2 Gesamtenergiebedarf klimatisierter Gebäude nach SIA 382/2 Energiebedarf für Lüftung/Klima/Befeuchtung für MINERGIE Gebäude Kühl- und Befeuchtungsbedarf nach SIA 382/1 Sommerlicher Wärmeschutz (SIA 180 / Minergie Variante 3) Statischer Heizleistungsbedarf nach SIA Heizwärmebedarf nach SIA 380/1 Neu ab Release Sept. 2016: PV-Erzeugung stündlich -> stündliche Strombilanz «Konkurrenz»produkte: LESOSAI (ähnliches Spektrum, zusätzlich Ökobilanzierung) Plancal (heute TRIMBLE) NOVA: CAD-Programm mit integrierten Berechnungen (-> BIM) 8,

9 Ausweitung der Bilanzgrenze - SIA 2040 Effizienzpfad - Einbezug von: - Erstellung (graue Energie, SIA 2032) und der - Gebäudeinduzierten Mobilität (SIA 2039) 9,

10 Generalisierung: (thermische) Simulationsprogramme In der Schweiz verwendet: - IDA-ICE EQUA Simulation AB, Stockholm Marktleader, Filiale EQUA DACH - Energy+ LBNL / Uni Illinois (US DOE) Open source, v.a. im akademischen Bereich (ETH/EMPA) Für Praxis: Benutzerinterfaces von Drittanbietern, z.b. «Design Builder», - TRNSYS Uni Wisconsin / Transsolar Stuttgart - TAS EDSL, UK - HELIOS EMPA (bis 2011) / Thomas Frank v.a. Bauphysikbüros - DPV Design Performance Viewer (ETHZ/KEOTO) Revit-plug in, u.a. Energy+ als «Engine» 10,

11 IDA-ICE (Indoor Climate and Energy) - Gleichungsbasierte Simulation für Gebäude inkl. HLKS-Systeme - Grosses Spektrum an Benutzerniveaus - sehr einfacher Einstieg mit «Wizards» (z.b. ESBO) - grosse Flexibilität, Möglichkeit komplexer - Volle Transparenz bezüglich Modelle - Möglichkeit der Implementation eigener Modelle (NMF, auch Modelica) - Sehr hilfreiche «Swiss Localisation»: - SIA-Normnachweise - SIA Nutzungsdaten - SIA Klimadaten - «BIM-fähig» (= IFC-Import) - Business case von EQUA: Herstellerdaten integrieren, firmenspezifische Applikationen (z.b. Velux) 11,

12 Spezialsimulationen - CFD: Computational Fluid Dynamics - Luftströmungssimulation, FE/FD Berechnung - Statisch/dynamisch - Beispiele: ANSYS, Openfoam - Beleuchtungs-/Tageslichtsimulation: - Radiance (Open source, LBNL, im IDA-iCE implementiert) - RELUX (hier auch SIA 380/4 Beleuchtung implementiert) - 2D / 3D Wärmeflusssimulation - «Wärmebrücken»simulation - Beispiele: flixo, Physibel - Solaranlagensimulation - Polysun (thermisch und PV) - Zahlreiche online-rechner (vereinfachte Berechnung) 12,

13 Andere Richtung: einfache Tools für Spezialanwendungen - Tools für HLK-Bereiche: - Wärmeleistungsbedarf SIA (auch in TEC-Tool integriert) - SIA 384/3 Typologie-Methode - Wärmepumpen - WPEsti (L/W-WP-Jahresnutzungsgrad mit Bin-Methode) - EWS (Erdwärmesonden) - Beide auch für Minergie - Wohnungslüftung: - Tool H.Huber - Ergänzende Tools: - Wärmespeicherfähigkeit (EN 13789) - Wirtschaftlichkeit SIA Datenbanken: SIA 2024 Nutzungsdaten (-> auch für Grobauslegung, frühe Planungsphase), SIA 2028 Klimadaten - Klimadaten: Meteonorm - Baustoffe und konstruktionen: Bauteilkatalog.ch 13,

14 Trend: CAD-integrierte Berechnungen - CAD-Hersteller erhöhen Attraktivität ihrer Produkte durch Design-Support - Beispiele: - Trimble (Plancal) NOVA: Gebäudetechnik-CAD diverse SIA-Berechnungen integriert (SIA 380/1, , 382/2 ) - REVIT (Autodesk): Integrierte Berechnungen (durch Aufkauf von Simulationssoftware ECOTECT), DPV - Bentley: Design suite, u.a. mit Energy+ (ehem. DOE-Gebäudemanager ist jetzt bei Bentley) - - -> BIM 14,

15 BIM und Rechentools - BIM: Planen mit digitalen Modellen - Vision: rechnen per Knopfdruck ab digitalem Modell - Praxis: selten so einfach, aber erhebliche Rationalisierung möglich - Das altbekannte Problem: - Daten werden x mal eingegeben - Viel Information eigentlich in Architekturmodell vorhanden - Hauptanwendung Gebäudesimulation: Eine der ersten Applikationen, die nach Schnittstellen gerufen haben - Ausgangs- / Anknüpfungspunkt: CAD Software 15,

16 Modelle der BIM-basierten Zusammenarbeit File transfer: BIM Server: weitere Architectural BIM Feedback??? Kosten LCA etc. weitere Architekt weitere Gebäudetechniker Simulation HLKSE-Planung etc. Statiker Koordination z.b. «clash detection» Statik-Berechnung Simulation etc. BIM Server Gebäudetechniker Statiker weitere 16, 25. August 2016

17 Open BIM Closed BIM - Unterschied: Format für Datentransfer - Closed BIM: - Proprietär (z.b. «Revit-Welt») - Vorteil (theoretisch): Datenaustasuch zwischen Applikationen klappt, da «aus einem Haus» - Nachteil: Abhängigkeit vom Anbieter - Open BIM: - Offenes Austauschformat: IFC (Industry Foundation Classes, buildingsmart international), gbxml - Vorteil: Unabhängig von Plattform alle CAD-Programme haben heute IFC-Exportschnittstellen, Simulationsprogramme Importschnittstellen - Nachteile: Schnittstellen nicht immer gut, IFC nicht immer eindeutig - Hilfe durch Viewer/Checker-Programme (Solibri, Thekla Bimsight, SimpleBIM, Navisworks ) - Wichtiger als Format: - Arbeitsweise im CAD: Modellieren statt zeichnen! 17,

18 BIM und Simulationsprogramme Building Energy Software Tools Directory (US DOE, ), Stichwort BIM bzw. IFC: RIUSKA FI Simulationsengine DOE-2 (uralt; Energy+ Vorgänger) IDA-ICE S TEK-Sjekk N nat. Energievorschriften IES GB Energy+ USA Open source ELODIE F nat. Energievorschriften Climawin2005 F nat. Energievorschriften FineHVAC USA Normberechnungen In der Schweiz verwendet: - IDA-ICE BIM/IFC - Energy+ IFC nur mit Drittanbieter-Interfaces - TRNSYS -- - TAS -- - HELIOS -- - DPV Revit-plug in, proprietär -> «closed BIM» 18,

19 Tools für SIA-Berechnungen - SIA 180: - SIA TEC Tool - LESOSAI - IDA-ICE - Weitere Simulationsprogramme - SIA 380/1: - Zahlreiche (EXCEL), nicht BIM-relevant - Plancal NOVA - SIA 382/1: - SIA TEC Tool - LESOSAI - IDA-ICE - SIA 382/2: - SIA TEC Tool - LESOSAI - Plancal NOVA - SIA : - Plancal NOVA BIM/IFC BIM/IFC BIM/IFC BIM/IFC BIM/IFC 19,

20 Der BIM-basierte Planungsprozess bei Granlund 20, 25. August 2016

21 21, 25. August 2016

22 Wieviel und welche Daten in IFC? Interessante überraschende Erkenntnis: - vom Planungsteam gemeinsam genutzte und benötigte Daten in die IFC- Modelle schreiben? - keine einheitliche Auffassung Beispiele: Raumanforderungen, Konstruktionsdaten: - Philosophie: im IFC-Modell den Raumtyp / Konstruktionstyp mittels eines eindeutigen, vereinbarten Namens kennzeichnen. - Verbindung zu externen Datenbanken ausserhalb IFC-Datei - Information ist Gegenstand des Optimierungsprozesses - zum Zeitpunkt des Imports noch nicht festgelegt - Professionelle Bauherren wie Senate Properties haben eigene Datenbanken 22, 25. August 2016

23 Frühe Planungsphase - Vision: - Simulation auf Knopfdruck - bzw. als Instantantwort auf Entwurfsänderung - Am nächsten an der Lösung: DPV - Problem: - Wesentlich abhängig von der gewünschten Form der Antwort - Anspruch: Gesamtoptimum - Konsequenz: Komplexes Modell - Rechenzeit (!) - Lösungsansätze: - Vorgerechneter Parameterraum - KI - Einfachste Lösung: Vielzahl von Vordefinierten Parametern 23,

24 Fazit - Vielzahl und grosse Varietät von Rechentools - Gebäudesimulation ist mit BIM gut unterwegs - Bei guten Modellen grosser Rationalisierungseffekt - Frühe Planungsphase noch zu lösen 24,