Thermische Gebäudesimulation und Anlagensimulation für energieeffiziente Gebäude

Wie verhält sich ein Gebäude bei wechselnden Außentemperaturen, Sonneneinstrahlung und unterschiedlicher Nutzung? Eine thermische Gebäudesimulation hilft dabei, diese Einflüsse bereits während der Planung zu untersuchen. Ergänzend zeigt eine thermische Anlagensimulation, wie die Gebäudetechnik unter definierten Betriebsbedingungen arbeitet.

Die 3C TGA-Ingenieurbüro GmbH unterstützt Sie dabei, Gebäude und Anlagentechnik aufeinander abzustimmen. Ziel sind fundierte Planungsentscheidungen, ein angenehmes Raumklima und ein wirtschaftlicher Energieeinsatz.

Was ist eine thermische Gebäudesimulation?

Eine thermische Gebäudesimulation bildet das zeitabhängige Wärmeverhalten eines Gebäudes oder einzelner Räume ab. Sie berücksichtigt das Zusammenspiel von Gebäudehülle, Wetter, Nutzung und technischen Anlagen.

Je nach Aufgabenstellung fließen beispielsweise folgende Faktoren in die Berechnung ein:

• Außentemperaturen und Sonneneinstrahlung,
• Ausrichtung, Verglasung und Sonnenschutz,
• Wärmedämmung und Speichermasse,
• Personenbelegung und Nutzungszeiten,
• Wärmeabgabe von Beleuchtung und Geräten,
• Luftwechsel sowie Heiz- und Kühlbetrieb.

So lässt sich untersuchen, wie sich Raumtemperaturen, Heiz- und Kühlbedarf im betrachteten Zeitraum entwickeln.

Dynamische Betrachtung als Ergänzung zur Planung

Statische Berechnungsverfahren liefern wichtige Grundlagen für die Planung und Auslegung. Eine dynamische Simulation ergänzt diese um zeitliche Verläufe und die Wechselwirkungen zwischen unterschiedlichen Einflussgrößen.

Damit können beispielsweise Lastspitzen, die Wirkung von Sonnenschutz oder das Aufheizen und Abkühlen von Räumen genauer untersucht werden. Das unterstützt eine bedarfsgerechte Dimensionierung und hilft, mögliche Überdimensionierungen zu erkennen.

Was leistet eine thermische Anlagensimulation?

Die thermische Anlagensimulation betrachtet das Verhalten der technischen Systeme und deren Zusammenspiel mit dem Gebäude. Im Mittelpunkt stehen beispielsweise Wärme- und Kälteerzeugung, Speicherung, Verteilung und Regelung.

Damit lassen sich unterschiedliche Anlagenkonzepte und Betriebsstrategien vergleichen. Typische Fragestellungen sind:

• Welche Anlagenleistung wird unter den untersuchten Bedingungen benötigt?
• Wie arbeiten die Komponenten im Teillastbetrieb zusammen?
• Welche Auswirkungen haben Betriebszeiten und Sollwerte?
• Wie lassen sich Speicher und regenerative Energiequellen sinnvoll einbinden?
• Welche Regelstrategie passt zum Nutzungsprofil?

Raumkomfort und sommerliche Temperaturen untersuchen

Ein geringer Energiebedarf allein macht ein Gebäude noch nicht komfortabel. Ebenso wichtig ist, dass die Räume während ihrer Nutzung geeignete Bedingungen bieten.

Eine thermische Simulation ermöglicht es, Temperaturverläufe zu bewerten und mögliche Überwärmungsphasen zu erkennen. Maßnahmen wie außenliegender Sonnenschutz, angepasste Verglasung oder Nachtlüftung können als Varianten untersucht werden.

So lässt sich frühzeitig einschätzen, welche Kombination aus baulichen und technischen Maßnahmen zum Projekt passt.

Varianten vergleichen und Investitionen vorbereiten

Simulationen schaffen eine nachvollziehbare Grundlage für den Vergleich verschiedener Lösungen. Beispielsweise können Varianten der Gebäudehülle, unterschiedliche Versorgungskonzepte oder alternative Regelungsansätze gegenübergestellt werden.

Die Ergebnisse unterstützen die Bewertung von:

• Energiebedarf und Lastverläufen,
• thermischem Komfort,
• erforderlichen Anlagenleistungen,
• Betriebsweisen und Regelstrategien.

In Verbindung mit Kostenansätzen lassen sich daraus auch wirtschaftliche Vergleiche ableiten. Die Aussagekraft hängt von der Qualität der Eingangsdaten und den zugrunde gelegten Annahmen ab.

Simulation in unterschiedlichen Planungsphasen einsetzen

Wettbewerb und Konzept

Bereits in frühen Projektphasen können Gebäudeausrichtung, Baukörper, Fensterflächen und Verschattung untersucht werden. So lassen sich grundlegende Entscheidungen energetisch und raumklimatisch bewerten.

Entwurfsplanung

Mit zunehmendem Planungsstand werden Gebäude- und Anlagenkonzepte konkretisiert. Die Simulation hilft dabei, Varianten zu vergleichen und die Fachplanungen aufeinander abzustimmen.

Ausführungsplanung und Betriebsvorbereitung

Detailliertere Modelle ermöglichen es, ausgewählte Betriebsweisen und Regelungsansätze zu untersuchen. Daraus können Vorgaben für die spätere Umsetzung und Inbetriebnahme entwickelt werden.

Integrale Planung für abgestimmte Lösungen

Gebäudehülle, Nutzung und Anlagentechnik beeinflussen sich gegenseitig. Deshalb erfordert eine aussagekräftige Simulation den Austausch zwischen Architektur, TGA-Planung und weiteren Projektbeteiligten.

Gemeinsam abgestimmte Randbedingungen und klar definierte Fragestellungen sorgen dafür, dass die Ergebnisse gezielt in die Planung einfließen können.

Thermische Simulation mit 3C TGA

Die 3C TGA-Ingenieurbüro GmbH nutzt thermische Gebäude- und Anlagensimulationen, um technische Zusammenhänge sichtbar zu machen und Planungsvarianten fundiert zu bewerten.

Sie möchten das thermische Verhalten Ihres Gebäudes untersuchen oder ein Anlagenkonzept optimieren? Sprechen Sie mit uns über die passende Simulation für Ihr Projekt.

dardmäßig verwendeten Planungsverfahren in der Haustechnik wird bei der thermischen Gebäude- und Anlagensimulation das Zusammenspiel der technischen Anlagen, des Gebäudekörpers sowie der Gebäudenutzung gleichermaßen berücksichtigt. Somit ist es beispielsweise möglich. Veränderungen an der Fassade oder Änderungen an der Regelung direkt als Energiekosten- und Anlagenkostenänderungen abzulesen.

Basis für eine möglichst uneingeschränktes Aufzeigen der Vor- und Nachteile innovativer Gebäude- und Anlagenkonzepte sind detaillierte und flexible Modellstrukturen für die Gebäude- und die Anlagensimulation. So ist es beispielsweise im Rahmen der thermischen Anlagensimulation möglich, den Betrieb einer Grundwasser gespeisten Bauteiltemperierung einem konventionellen Betrieb mit Heizkörper und Kühldecke gegenüber  zu stellen, oder mit der thermischen Anlagensimulation das Potential einer solaren Temperierung zu ermitteln.

Bei einer thermischen Gebäudesimulation sollte sowohl das komplette Gebäude als auch die Umgebungsbebauung berücksichtigt werden. Nur so ist es im Gegensatz zu einfachen Einraum-Gebäudesimulationen die solare Einstrahlung auf die Gebäudefassaden und die solare Strahlungsverteilung in den Räume realistisch zu erfassen. Eine Berücksichtigung der Gebäudeverschattung bei einer thermischen Gebäudesimulation führt zwangsläufig zu deutlichen Kosteneinsparungen in der Gebäudekühlung. Eine realitätsnahe Abbildung der Solarstrahlungsverteilung im Zuge einer thermischen Gebäudesimulation spielt vor allem bei klimatechnischen Anlagenauslegung großer Glasräume eine wesentliche Rolle.

Ebenfalls berücksichtigt werden im Rahmen einer thermischen Gebäudesimulation die temperatur- und windbedingten Strömungen bedingt durch geöffnete Fenster und Fassadenfugen. Beispielsweise ist es in Verbindung mit der thermischen Anlagensimulation möglich, bei Hochhäusern die höhenbedingten Heiz- und Kühllastunterschiede darzustellen oder in Räumen mit zu öffnenden Fenstern, das Kühlpotential der Fensterlüftung zu ermitteln.

Im Gegensatz zu den konventionellen Auslegungsmethoden und Programmen werden die Werkzeuge thermische Gebäude- Anlagensimulation ständig dem Stand der aktuellen Entwicklungen angepasst. Beispielsweise können heute bereits Phase Change Materialien im Rahmen einer Gebäudesimulation bewertet und berücksichtigt, oder die Regelung solarer Kühlungssysteme durch eine thermischen Anlagensimulation optimiert werden.

Eine thermische Gebäudesimulation unterstützen ganzheitliche Planungsansätze, da sie die unterschiedlichen für das Raumklima und den Energiebedarf maßgeblichen Einflussfaktoren wie (Außenklima, Gebäudehülle, innere Wärmelasten, Gebäudetechnik) berücksichtigt.

Schwachpunkte der bauphysikalischen und gebäudetechnischen Gebäudeausführung können bereits im frühen Planungsstadium aufgezeigt und behoben werden.

Ziel der Simulationsrechnungen ist es gute raumklimatische Verhältnisse sicher zu stellen und objektive Daten für die Beurteilung verschiedener bauphysikalischer und gebäudetechnischer Varianten bereitzustellen, um Kosten einzusparen (Investitions-, Betriebs- und Wartungskosten)

Die Durchführung von thermischen Gebäudesimulationen zur funktionalen und energetischen Gebäudeanalyse empfiehlt sich nicht nur im frühen Planungsstadium von Neubauprojekten, sondern auch vor der Durchführung von Sanierungsmaßnahmen.

Für die Untersuchung des raumklimatischen Komforts in Atrien, Eingangshallen und großen, hohen Räumen bieten sich ergänzend Strömungssimulationen an, um raumklimatische Beeinträchtigungen durch Hitzestaus und Zugerscheinungen zu vermeiden.

Wir berechnet bei einer dynamischen Kühllastberechnung (Kühllastsimulation) die Kühllast von Gebäuden nach VDI 2078. Nach der Eingabe der Geometrien und Randbedingungen einer oder mehrerer Gebäudezonen lässt sich mit Hilfe eines Wetterdatensatz für das Gebäude eine Aussage über die Temperatur in den Zonen treffen. Die dynamische Berechnung wird von unserem System eigenständig für jede Stunde des Tages durchgeführt. Hierdurch bieten wir eine Übersicht über den Kühllastverlauf des Raumes oder auch eines ganzen Gebäudes über den ganzen Tag an 365 Tagen im Jahr.

Dabei wird das Maximum der Raumkühllast zur entsprechenden Stunde ermittelt. Weiterführend wird die maximale Kühllast eines Gebäudes für jede Stunde des Tages ermittelt. Auch der Verlauf der Raumtemperatur bei vorgegebener Kühlleistung wird dabei berechnet und analysiert. Eigenbeschattungen durch Fassaden Vorsprünge werden von unserem System ebenfalls berücksichtigt. Der Verlauf der Raum- und Gebäudekühllast sowie der Raumtemperatur wird für jede Stunde des Tages an 365 Tagen im Jahr graphisch dargestellt. Die relevanten Daten können aus einer bereits vorhandenen Heizlast- oder Wärmebedarfsberechnung übernommen werden. Somit ist ein Optimum an Zeitersparnis möglich, da die in der vorangegangen Berechnung erfassten Daten nicht ein zweites mal erfasst werden müssen. Auch eine dynamische Berechnung von Auslandsprojekten, für alle Orte der nördlichen Halbkugel zwischen dem 10 und 65 Breitengrad ist möglich.

Ferner ermöglicht eine Simulation den Entwurf und die Optimierung von Regelstrategien beispielsweise für die Sonnenschutzsteuerung oder eine natürliche Nachtlüftung. Die Ausgabe der Ergebnisse (Raumtemperaturen und Wärmebedarf) erfolgt grafisch. Diese Ergebnisse sowie Spitzen-Heiz- und Kühllasten sowie Energiebedarfe werden auch im ASCII-Format ausgegeben und können dann entsprechend weiterbearbeitet werden.

Im Rahmen von thermischen Gebäude- und Anlagensimulation wird von uns auch der Einsatz von thermischen Bauteilaktivierung (BTA) mit Grundwasserkühlung simuliert. Dabei werden zunächst die unterschiedlichen Effekte der Fassadengestaltung sowie der Einfluss von natürlichen Lüftungsmaßnahmen untersucht und in die thermischen Gebäudesimulation integriert. Dies veranschaulicht zusätzlich den Effekt von unterschiedlichen Maßnahmen zur Rückkühlung.

Die Darstellung der empfundenen Raumtemperaturen und deren Häufigkeit stellt darüber hinaus zusätzliche Information über die zu erwartende Behaglichkeit der untersuchten Maßnahmen dar.

Die Darstellung des Gesamtenergiebedarfes (Heiz- und Kühllast) bietet die Grundlage für eine Beurteilung der Wirtschaftlichkeit eines Gebäudes.