Fakultät Architektur, Institut für Bauklimatik, Professur für Bauphysik. Dresden,

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1 Fakultät Architektur, Institut für Bauklimatik, Professur für Bauphysik Dresden,

2 Fakultät Architektur, Institut für Bauklimatik, Professur für Bauphysik Energetische Gebäudesimulation mit DesignBuilder / EnergyPlus Heiko Fechner Dresden,

3 EnergyPlus DesignBuilder / EnergyPlus Folie Nr. 3 von 41

4 Überblick Was ist EnergyPlus? es ist ein Gebäudesimulationsprogramm es modelliert Heizung, Kühlung, Beleuchtung, Lüftung andere Energieströme und Warmwasser es ist ein reines Simulationsprogram kein Nutzinterface DesignBuilder / EnergyPlus Folie Nr. 4 von 41

5 Überblick Wo kommt es her? es ist eine Kombination zweier Simulationsprogramme, DOE-2 und BLAST Entwicklung begann ab 1996 in der Programmiersprache FORTRAN 90 die ersten Entwickler waren: US Army Construction Engineering Research Laboratories (CERL) University of Illinois Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL) Department of Energy (DOE) gefördert durch das US Department of Energy (DOE) DesignBuilder / EnergyPlus Folie Nr. 5 von 41

6 Geschichte in den frühen 1990-iger DOE wollte nicht mehr zwei nationale Gebäudesimulationsprogramme fördern BLAST und DOE-2 wurden zu schwierig zu warten und zu erweitern 1996 wurden einige Workshops abgehalten, um alle vorhandenen Simulationen zu überprüfen und Empfehlungen sowie Ideen für neue Modelle zu geben darauf basierend planten die Entwickler von BLAST und DOE-2 ein neues Simulationsprogramm mit dem Namen EnergyPlus es sollte die Fähigkeiten und Eigenschaften beider Modelle kombinieren und neue Modelle zufügen Wärmebilanzberechnung von IBLAST FORTRAN 90 als Programmiersprache modulares System für leichte Erweiterbarkeit DesignBuilder / EnergyPlus Folie Nr. 6 von 41

7 Neue Eigenschaften Einige der neuen oder erweiterten Eigenschaften sind: realistischere Reglungssysteme Feuchtespeicherung und abgabe in Bauelementen Elemente für Strahlungsheizung und -kühlung Luftströmung zwischen den Zonen genauere Vorhersage der Raumtemperatur, notwendig für: Bemessung des HLK-Systems Größe des Erzeugers Bewohnerkomfort etc. feste Schablonen für HLK-Systeme ersetzt durch nutzerkonfigurierbare Heizungs- und Kühlungskomponenten DesignBuilder / EnergyPlus Folie Nr. 7 von 41

8 Aufbau Drei Hauptkomponenten: Simulationsmanager Modul für Energie- und Massenbilanz (von IBLAST) Modul für Simulation Gebäudesystem DesignBuilder / EnergyPlus Folie Nr. 8 von 41

9 Aufbau Eingabedaten (IDD und IDF) Daten D Beschreibt Gebäude Date en EnergyPlus Simulationsmanager en Dat Window 4.0 Tageslicht COMIS Nutzer- schnittstelle für Drittprogramme Energie- und Massenbilanz Simulation Zone Gebäudessystem Simulation SPARK TRNSYS PV Systeme Ground HT Bedingungen Feedback VOC Modelle Daten Ausgabedaten (ESO) Daten Daten Zeigt Ergebnisse DesignBuilder / EnergyPlus Folie Nr. 9 von 41

10 Überblick Integrierter Simulationsmanager Luftschleife Module Himmels- Modul EnergyPlus Simulatiosmanager Verschattungs- Modul Integrierter Lösungsmanager Innere Lasten Gebäudesystem Simulatiosmanager Tageslicht- Modul Oberflächen Wärmebilanz Manager Luft/Wärmebilanz Manager Module CTF Berechnungs- Modul Stömungs- PV-- netzwerk- Modul Modul Verglasungs- Modul Erzeugerschleife Modul Feuchteschleife Modul DesignBuilder / EnergyPlus Folie Nr. 10 von 41

11 Überblick Kontrolliert den gesamten Simulationsprozess alle 3 Hauptteile Gebäude, System, Erzeugung sollten gleichzeitig simuliert werden iterativer Aufruf im Programm (kein Multithreading) die Hauptkomponenten p sind mittels Schleifen (Regelkreise) verbunden Zone System Erzeugung Luftschleife Wasserschleife DesignBuilder / EnergyPlus Folie Nr. 11 von 41

12 Simulationsmanager variable Zeitschrittweite normalerweise zwischen 0,1 und 0,25h (6 und 15 Minuten) Berechnungsfehler hängt stark von der Zeitschrittlänge ab die Berechnung arbeitet mit einem Voraussage-Korrektur-Schema 1. Vorberechnung der Sytemenergie welche benötigt wird um die in der Zone geforderten Temperaturen einzuhalten, durch Berechnung von: o konvektive interne Lasten o konvektiver Wärmetransport über dir Zonenoberflächen o Luftaustausch mit außen o Luftaustausch zwischen den Zonen 2. Simulation der Gebäude HLK-Anlage mit dieser Energiemenge als Bedarf zur Berechnung der aktuell verfügbaren Energiezuführung o dies beinhaltet eine Erzeugersimulation (Erzeugergröße) 3. aktuelle Erzeugersystemgröße wird verwendet um die reale Zonentemperatur t zu berechnen DesignBuilder / EnergyPlus Folie Nr. 12 von 41

13 Simulationsmanager Gebäudesystem-Simulations-Manager Simulation Gebäudesystem Luftkreis Hauptluftsteuerung Zone und Geräte Bedarf Erzeugerkreis Zuführung zukünftige Verbindung Zonenbedingungsberechnung Zonenbedingungskorrektur Erzeuger Übergabe Feuchtekreis Bedarf Zuführung Über- Ab- gabe gabe Verbindungen zwischen dem Haupsimulationskreis und den Unterkreisen DesignBuilder / EnergyPlus Folie Nr. 13 von 41

14 Modul für Wärme- und Massenbilanz kontrolliert die Raumluftbilanz Raumoberflächen (Wände, Fenster, Decken und Fußböden) haben: gleichverteilte Oberflächentemperaturen gleichverteilte lang- und kurzwellige Bestrahlung diffus strahlende Oberflächen innere Wärmeleitung Modul für Wärmebilanz der Oberfläche Wärmebilanz für Innen- und Außenoberfläche wechselseitige Verknüpfung von Randbedingungen und Wärmebuilanzen Wärmeleitung, Konvektion, Strahlung und Massentransport (Wasserdampf) DesignBuilder / EnergyPlus Folie Nr. 14 von 41

15 Modul für Wärme- und Massenbilanz Modul für Luftmassenbilanz handelt mit Massenströmen wie Lüftung, aus- und einströmende Luft trägt zur thermischen Masse der Zonenluft bei berechnet direkte konvektive Wärmequellen drei neue Module von DOE-2 Tageslichtsimulation Fensterberechnung (WINDOW 5) anisotroper Himmel DesignBuilder / EnergyPlus Folie Nr. 15 von 41

16 DesignBuilder DesignBuilder / EnergyPlus Folie Nr. 16 von 41

17 Überblick Eingabedaten (IDD und IDF) Daten D Beschreibt Gebäude Date en EnergyPlus Simulationsmanager en Dat Window 4.0 Tageslicht COMIS Nutzer- schnittstelle Design für Builder Drittprogramme Energie- und Massenbilanz Simulation Zone Gebäudessystem Simulation SPARK TRNSYS PV Systeme Ground HT Bedingungen Feedback VOC Modelle Daten Ausgabedaten (ESO) Daten Daten Zeigt Ergebnisse DesignBuilder / EnergyPlus Folie Nr. 17 von 41

18 Überblick DesignBuilder ist eine nutzerfreundliche Anwendungsumgebung zur Erstellung von EnergyPlus Projekten und zur Darstellung der Ergebnisse. Er enthält: 3D Gebäudemodellerstellung viele vordefinierte Einstellungen für Nutzung, Konstruktion, Anlage etc. Datenbanken für Materialien und Verglasungen (sehr umfangreich) Visualisierung der Ergebnisse mit Kopplung zum Gebäudemodell Verknüpfung zu Web-Klimadatenbank Mehrere Oberflächensprachen verfügbar EnergyPlus wird direkt gestartet und die Ergebnisse (wenn gewünscht) automatisch geladen DesignBuilder / EnergyPlus Folie Nr. 18 von 41

19 Überblick Einschränkungen: Nicht alle Features von EnergyPlus werden unterstützt Export nach idf und Weiterbearbeitung mit IDF-Editor Anlagenmodellierung eher rudimentär: Ab Version 3 deutlich erweitert aber noch recht fehleranfällig Probleme mit großen, komplexen Modellen Idf Dateien für E+ können exportiert aber nicht wieder importiert werden DesignBuilder / EnergyPlus Folie Nr. 19 von 41

20 Nutzeroberfläche DesignBuilder / EnergyPlus Folie Nr. 20 von 41

21 Nutzeroberfläche Blöcke bearbeiten Objekte kopieren, verschieben Modellansicht Modelloptionen Modellnavigator, Datenbanken Geometrie, et e, Visualisierung, s u Ergebnis-Darstellung ste g Modelldaten DesignBuilder / EnergyPlus Folie Nr. 21 von 41

22 Nutzeroberfläche Das Gebäudemodell lässt sich beliebig drehen (Vorder-, Rück- und Seitenansichten). DesignBuilder / EnergyPlus Folie Nr. 22 von 41

23 Überblick Modelldaten DesignBuilder / EnergyPlus Folie Nr. 23 von 41

24 Modelldaten Nutzung Eingestelltes Template: setzt alle untergeordneten Daten. Belegungsdichte: Wie viel Personen pro Fläche und wann halten sie sich auf? Setpoints: Wie warm oder kalt soll es sein, wenn Personen im Raum sind, bzw. nicht sind (set back)? Innere Lasten: Wie viel Wärmeenergie wird durch elektrische Anlagen in den Raum eingebracht? DesignBuilder / EnergyPlus Folie Nr. 24 von 41

25 Modelldaten Konstruktion Eingestelltes Template: setzt alle untergeordneten Daten. Wandkonstruktionen: Wände wissen, welchen Typs sie sind. Decken: auch abgehängte Systeme möglich. Fußböden: auch aufgeständerte Systeme möglich. Zusätzliche innere Speichermassen (Träger, Stützen, usw.) Luftdichtigkeit der Konstruktion (energetisch sehr relevant) DesignBuilder / EnergyPlus Folie Nr. 25 von 41

26 Modelldaten Anlage Eingestelltes Template: setzt alle untergeordneten Daten. Lüftungsanlage vorhanden? Wenn ja, welchen Typs? Wodurch gesteuert? Heizungsanlage (Kühlung) vorhanden? Wenn ja, welchen Typs? Wodurch gesteuert? Warmwasser Natürliche Lüftung? Welche Luftwechselrate? DesignBuilder / EnergyPlus Folie Nr. 26 von 41

27 Modelldaten Weitere Modelldatendialoge für: Öffnungen (Fenster, Türen etc.) Beleuchtung CFD (extra Modul erforderlich) Output Options DesignBuilder / EnergyPlus Folie Nr. 27 von 41

28 Komponenten und Templates DesignBuilder / EnergyPlus Folie Nr. 28 von 41

29 Komponenten und Templates Komponenten-Datenbanken (für Konstruktionsaufbauten, wie z.b. Wand-, Fußbodenund Deckenkonstruktionen, sowie Verschattungselemente, Materialdaten, Wetterdaten, usw.) Nutzer können auch eigene Datenelemente definieren. Templates verweisen auf Komponenten- Gruppen zusammengehörigen Typs. Vordefiniertes Beispiel: Project construction template enthält Programm- Standardeinstellungen zu allen Konstruktions- aufbauten DesignBuilder / EnergyPlus Folie Nr. 29 von 41

30 Komponenten und Templates Konstruktionselemente definieren Empfehlung: Durch Kopieren & Einfügen von vorhanden Datenelementen neue erzeugen und entsprechend abändern. Abbildung Berechneter U-Wert Schichtenanzahl Materialauswahl und Schichtdicke DesignBuilder / EnergyPlus Folie Nr. 30 von 41

31 Datenhierarchie und Vererbung DesignBuilder / EnergyPlus Folie Nr. 31 von 41

32 Datenhierarchie und Vererbung DesignBuilder Modelle sind in einer einfachen Hierarchie organisiert Baustelle Gebäude Block Zone Oberfläche Daten werden von oben nach unten vererbt vererbt. Änderungen auf höherer Ebene wirken sich nach unten aus. Änderungen auf tieferen Ebenen wirken sich nicht nach oben aus. Änderungen auf tieferen Ebenen bleiben bei Änderungen auf höheren Ebenen erhalten. Öffnung DesignBuilder / EnergyPlus Folie Nr. 32 von 41

33 Datenhierarchie und Vererbung Farbcode zur Darstellung des Vererbungsstatus Daten auf Zonenebene Blau = von oben (vom Block) geerbt (wird automatisch angepasst, wenn Blockdaten sich ändern) Rot = auf der aktuellen Ebene geändert (damit unabhängig von übergeordneter Ebene, kann aber rückgängig gemacht werden) DesignBuilder / EnergyPlus Folie Nr. 33 von 41

34 Geometrie DesignBuilder / EnergyPlus Folie Nr. 34 von 41

35 Geometrie Blöcke sind geometrische Grundformen zum Aufbau des Gebäudemodells. 2D-Umriss wird zu 3D-Objekt extrudiert Beliebige Formen der Umrisse Horizontale und vertikale Extrusion 2D Umriss zeichnen DesignBuilder / EnergyPlus Folie Nr. 35 von 41

36 Geometrie Verschneiden von Blöcken durch Definition der Grenzfläche als Schnittebene. DesignBuilder / EnergyPlus Folie Nr. 36 von 41

37 Geometrie Das Zuschneiden und Unterteilen von Blöcken in Unterblöcke macht effizientes Arbeiten möglich. Einzelnen Block erzeugen und erforderliche Höhe angeben Block horizontal schneiden um die einzelnen Stockwerke k zu erzeugen DesignBuilder / EnergyPlus Folie Nr. 37 von 41

38 Geometrie Unterteilung der Blöcke in Zonen durch Zwischenwände Zonen haben unterschiedliche Nutzungsprofile (Activity-Datensätze) Block Zonen DesignBuilder / EnergyPlus Folie Nr. 38 von 41

39 Geometrie Erzeugung von individuell geformten Fenstern, Türen, Durchbrüchen, Flächen für alternative Materialzuweisungen (Subsurfaces), usw. Die einfach zu benutzenden Zeichenwerkzeuge erlauben viele geometrische Formen. DesignBuilder / EnergyPlus Folie Nr. 39 von 41

40 Start DesignBuilder / EnergyPlus Folie Nr. 40 von 41

41 Simulation starten Simulation wird bei Wechsel zu Tab Simulation gestartet. Wenn schon Ergebnisse vorliegen, werden diese angezeigt. Wetterdaten von DesignBuilder Website laden, wenn nicht schon installiert. Bei größeren Projekten große Datenmengen, daher Zeitbereich einschränken, z.b. nur sommerliche Hitzeperiode rechen. Stundenwerte t für Innenklima mit erzeugen lassen. DesignBuilder / EnergyPlus Folie Nr. 41 von 41