Simulationsverfahren für Gebäude

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1 Überblick Simulationsverfahren für Gebäude Dr.-Ing. Dipl.-Kfm. Heiko Timmer Ingenieurbüro Timmer Reichel GmbH, Lichthof, 15. Juni 2010 Einrichtungsplanung 3D-Anlagenplanung Gekoppelte Gebäude-Anlagen-Simulation Lösung einzelner Erhaltungsgleichungen für Strahlung Wärmeleitung (auch Geothermie) CFD-Simulation (computational fluid dynamics) Einrichtungsplanung für Labore 3D-Anlagenplanung (hier: Lüftungstechnik) Energetische Bewertung von Gebäuden Verfahren auf Basis des Energiebedarfs VDI 2067: Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen DIN V 18599: Energetische Bewertung von Gebäuden - Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwarmwasser und Beleuchtung DIN 4701: Energetische Bewertung heiz- und raumlufttechnischer Anlagen DIN : Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden - Teil 6: Berechnung des Jahresheizwärme- und des Jahresheizenergiebedarfs Energiebedarfs oder Energieaufwands Simulationsrechnungen Gebäudesimulation Gekoppelte Gebäude-Anlagen-Simulation Energieverbrauchs VDI 3807: Energie- und Wasserverbrauchskennwerte für Gebäude Gekoppelte Gebäude-Anlagen-Simulation mit DOE/2E 6 - Grüner Salon 5 - Bernsteinfarbener Salon 4 - Roter Salon 3 - Kleiner blauer Salon 2 - Großer blauer Salon 1 - Clubraum 1

2 Lasten Kühlleistung der Fan-Coils Uhrzeit Club- Raum Gr. Blauer Salon Kl. Blauer Salon Roter Salon Grüner Salon Bernstein Kühlleistung: 2,6 kw 0-10 Uhr Uhr 2 Pers. 2 Pers. 2 Pers. 2 Pers. 2 Pers. 2 Pers. Luftabkühlung von: 27,0 C auf: 18,5 C Uhr 25 Pers. 18 Pers. 12 Pers. 8 Pers. 8 Pers. 6 Pers Uhr 2 Pers. 2 Pers. 2 Pers. 2 Pers. 2 Pers. 2 Pers Uhr 25 Pers. 18 Pers. 12 Pers. 8 Pers. 8 Pers. 6 Pers. Q m c p aus ein Uhr Uhr Eindecken Uhr Essen Uhr Eindecken Uhr Essen Luftvolumenstrom? Strömungswiderstände? Varianten Clubraum, IST, mit Nenndaten der FanCoils IST, mit Nenndaten der FanCoils Bestand Annahme über Kühlleistung/Anzahl der Fan-Coils Reduzierung der max. Leistung in Abhängigkeit der Raumlufttemperatur Innerer Sonnenschutz offen IST, mit realen Daten der FanCoils Gem. Messung der Volumenströme vom Volumenströme der FanCoils ca % unter Nennleistung Zuluftführung über FanCoils verringert Leistung weiter Clubraum, IST, mit realen Daten der FanCoils Kl. blauer Salon, IST, mit Nenndaten der FanCoils 2

3 Kl. blauer Salon, IST, mit realen Daten der FanCoils Grüner Salon, IST, mit Nenndaten der FanCoils Grüner Salon, IST, mit realen Daten der FanCoils Kühlleistung Raum Installierte Leistung 1 Clubraum 4x2,5 kw = 10 kw 2 gr. blauer 2x2,5 kw = 5 kw 3 kl. blauer 2x2,5 kw = 5 kw 4 roter 1x2,5 kw = 2,5 kw 5 bernstein 1x2,5 kw = 2,5 kw 6 grüner 1x2,5 kw = 2,5 kw Benötigt für 23 C Typenschild - Leistung Zusätzlich benötigte Fassaden- Kühl-Elemente 10 kw 14 kw 6 5,1 kw 7 kw 3 3,9 kw 7 kw 3 2,6 kw 4 kw 2 2,7 kw 4 kw 2 3,6 kw 6 kw 5 Liegenschaftsenergiekonzept Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf Liegenschaftsenergiekonzept Polizeipräsidium Dortmund Beauftragung ist erfolgt durch BLB NRW Dortmund Derzeit laufen Analyse der Verbrauchsdaten und Gebäudesimulation Fertigstellung bis Ende Juli

4 Strahlungstemperaturfelder im Bundestag (Bonn) mit Heiz-Kühl-Fassadenelementen (Kühlfall) Strahlungstemperaturen Herbergstherme Xanten Strahlungstemperaturfelder in Büros mit Heiz-Kühl-Decken Simulationsrechnungen sichern die Funktion und die Behaglichkeit im Voraus ab. Simulation eines gekühlten und beheizten Glasdachs: Strahlungstemperaturfelder im Heizfall Realisierung des zuvor simulierten Bauvorhabens Technische Daten Längsstrom-Heiz-Kühl-Profil Abmessungen Standardelement: 6 cm x 13 cm x 2,2 m Statischer Betrieb Kühlleistung 82 W bei VL/Raum=16/27 C Heizleistung 380 W bei VL/Raum=60/22 C Dynamischer Betrieb Kühlleistung: 312 W bei VL/Raum = 16/27 C Anzahl Lüfter: 1 Stromaufnahme: 53 W bei 230 V. D.h. ca. 7 ct/d. 4

5 Längs durchströmtes Hochleistungs-Fassaden-Heiz-Kühl-Element Geothermie: Erdtemperatur im Abstand von der Sonde, Heizfall Zeit -> Geothermie: Erdtemperatur im Abstand von der Sonde im Sommer und im Winter Geothermie: Erdtemperatur im Abstand von der Sonde über das Jahr Inhalte folgen. DK Recycling, Duisburg Einhausung des Erzlagers 5

6 Avisierter Betrieb ohne Belüftung Starke Staubentwicklung Atemschutz (auch im Bereich der LKW-Kippstellen) Sicht Korrosion Hohe Wärmeentwicklung durch Lagergut und Sonneneinstrahlung Luftfeuchte 100% durch Wasserdampf Kondensat an (ungedämmten) Wänden und (gedämmten) Decken Korrosion Schimmelpilze Die Halle ist ohne Belüftung nicht zu betreiben! CFD-Simulation FLUENT ist ein Programm zur 2D/3D-Strömungsberechnung isothermer und anisothermer ein- oder Zweiphasenströmungen mit oder ohne Turbulenzmodell sowohl für stationäre als auch instationäre Strömungsprobleme. Es handelt sich dabei um ein Programm zur Lösung der Erhaltungsgleichungen für Impuls Turbulenz (k-e, RSM, RNG, Large-Eddy-Simulation) Energie Masse Die Erhaltungsgleichungen sind für die drei Raumkoordinaten als finite Volumen diskretisiert. Die Diskretisierung beinhaltet ebenfalls die Terme für die Berechnung instationärer Probleme Luftabsaugungen Randbedingungen der Simulation Bereich 1: Kippstellen I/II/III/IV Bereich 3 Bereich 4 Bereich 5 Bereich 6 Berechnung eines symmetrischen Ausschnitts Durchmesser Drallschaufel 0,4 2 m Absaugung m³/hm Entspricht ca. 8-fachem Luftwechsel Außenwand: adiabat (!) Bereich 2: Kippstelle VI Drallabsaugung über Bisherige Simulationen 1. D = 2 m, 3D, isotherm, Turbulenz 2. Wie 1., jedoch verkleinerte Absaugöffnung innerhalb der 3. Wie 1., jedoch impulsbehaftete Nachströmung 4. Wie 1., jedoch anisotherm mit Auftrieb und Wasserdampf 5. Wie 4., jedoch kleinere D = 0,4 Abb.: Imtech 6

7 Versuch Mk I II III IV V VI VII VIII IX X Kurzbeschreibung wie I, jedoch kleinerer Durchmesser wie II, jedoch höherer Eintrittsimpuls anisotherm mit Auftrieb & Wasserdampf neue Geometrie der kleinere Wasserdampfproduktion Enthalpie Versuch Mk isotherm isotherm isotherm XI XII XIII XIV XV XVI XVII XVIII XIX XX wie VI, aber Dachlüfter statt wie V, aber Dachlüfter statt wie V, aber Boden 50 C wie IX, aber Dachlüfter statt Berechnungsgebiet Kurzbeschreibung Anlieferung mit wie XI, aber nur wie XI, aber nur wie XI, aber beide wie XI, aber mit wie XV, aber nur wie XV, aber nur Breite m 15,00 15,00 15,00 15,00 15,00 15,00 15,00 15,00 15,00 15,00 warmem Boden, Haube Kippstelle in Haube Torwand in Hauben halbe Trennwand Haube Kippstelle in Haube Torwand in Länge m 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 5,00 Höhe m 22,00 22,00 beide Hauben 22,00 Betrieb 22,00 Betrieb 22,00 22,00 Leistung 22,00 22,00 Betrieb 22,00 22,00 Betrieb Anzahl 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 1,00 Durchmesser m 2,00 2,00 2,00 2,00 0,40 0,40 0,40 Länge je Haube m 4,50 4,50 4,50 4,50 5,00 5,00 5,00 Enthalpie wie XV, aber beide Hauben halbe Leistung...Abluftvolumenstrom, spezifisch m³/(mh) 1.600, , , , ,84 720, ,26 Abluftvolumenstrom, absolut im Berechnungsgebiet Berechnungsgebiet m³/h 7.200, , , , , , ,31 Geschwindigkeit Breite im Luftansaugquerschnitt 15,92 m 63,66 45,00 15,92 21,81 45,00 22,90 45,00 11,32 45,00 45,00 29,10 45,00 45,00 45,00 45,00 45,00 Dachventilator Länge m 46,00 46,00 46,00 46,00 46,00 46,00 46,00 46,00 46,00 46,00 Durchmesser Höhe m m 22,00 22,00 22,00 22,00 1,00 1,00 22,00 22,00 1,00 22,00 22,00 22,00 22,00 Abluftvolumenstrom, absolut im Berechnungsgebiet m³/h 8.001, , ,64 Geschwindigkeit im Luftansaugquerschnitt 11,32 11,32 11,32 Nachströmung Anzahl / Zuluft 2,00 1,00 1,00 2,00 2,00 1,00 1,00 2,00 2,00 2,00 Breite Durchmesser m 4,00 m 4,00 0,401,00 4,00 0,40 4,00 0,40 4,00 0,40 4,00 4,00 0,40 4,00 0,40 4,00 0,40 0,40 0,40 0,40 Höhe m 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 0,50 Geschwindigkeit Länge je Haube 1,00 m 1,00 4,00 1,00 0,64 0,48 1,09 0,75 1,29 1,11 Volumenstrom, absolut im Berechnungsgebiet m³/h 7.200, , , , , , , , , ,64 Temperatur...Abluftvolumenstrom, spezifisch C - m³/(mh) , ,45 20,00 20, ,45 20, , ,45 20, ,45 20, , , , ,45 Abluftvolumenstrom, absolut im Berechnungsgebiet Fußboden...Temperatur (oder adiabat) C - m³/h ,70-23,00 23,00 90,00 90,00 23,00 50,00 50,00...Wasserdampfmassenstrom Geschwindigkeit im Luftansaugquerschnitt kg/(m²h) ,15 26,69 25,15 26,69 25,15 1,84 12,58 1,84 26,69 12,58-25,15-25,15 12,58 12,58 12,58 Dachventilator Durchmesser Abluftvolumenstrom, absolut im Berechnungsgebiet Geschwindigkeit im Luftansaugquerschnitt Nachströmung / Zuluft m m³/h Breite m 20,00 20,00 20,00 20,00 20,00 20,00 20,00 20,00 20,00 20,00 Höhe m 0,20 0,20 0,20 0,20 0,20 0,20 0,20 0,20 0,20 0,20 Geschwindigkeit 4,00 4,00 4,00 4,00 4,00 4,00 4,00 4,00 4,00 4,00 Volumenstrom, absolut im Berechnungsgebiet wie XV, mit Schüttung wie XV, Absaugung an Wand der Schüttung m³/h , , , , , , , , , ,00 Temperatur C 20,00 20,00 20,00 20,00 20,00 20,00 20,00 20,00 20,00 20,00 Fußboden...Temperatur (oder adiabat) C 50,00 50,00 50,00 50,00 50,00 50,00 50,00 50,00 50,00 50,00...Wasserdampfmassenstrom kg/(m²h) Übersicht Varianten, erste Bauform D = 2 m, gewählte Bauform Luftgeschwindigkeiten beim Abkippvorgang D = 0,4 m Temperaturen Schadstoffe beim Abkippvorgang C 7

8 über Schüttung Lösung des Problems s CFD- und Gebäudesimulationsrechnungen Nebelversuch der Strömung unter einem Linearluftdurchlass Numerische Strömungssimulation (CFD) der Luftströmung unter einem Deckenluftdurchlass Beraterräume Sparkasse Aachen, Münsterplatz Extrem flaches Decken-Heiz-Kühl-System 8

9 Objekt: Sparkasse Aachen, Filiale Münsterplatz. Objekt: Sparkasse Aachen, Filiale Münsterplatz. Ultraflaches Decken-Kühlsystem CFD-Strömungssimulation Temperaturfelder im Kühlfall Miniaturisierung Volumenspezifische Kühlleistung kw Q m³ Ingenieurbüro Timmer Reichel GmbH Beratende Ingenieure und Sachverständige Technische Gesamtplaner VDI VBI VSR TOS Mitglied der Ingenieurkammer Bau NRW Ohligser Straße 37 Tel / Haan Fax 02129/

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