Bauphysik

Virtual Engineering zur Reduktion von verkörpertem und betrieblichem Kohlenstoff

DIE NOTWENDIGKEIT DES HANDELNS

Es stellt sich die Aufgabe, den Energieverbrauch und mögliche Wärmeverluste durch passive und aktive Maßnahmen zu minimieren. Bauphysikalisches Optimierungspotential besteht in beiden klimarelevanten Schwerpunktbereichen der Bauwirtschaft: den betrieblichen und verkörperten Kohlenstoffemissionen.

Bis zu 85 Prozent der betrieblichen Emissionen lassen sich dem Bereich Bauphysik direkt zuordnen. Sie ergeben sich kumuliert zum Beispiel aus der Herstellung von Materialien und Bauteilen, dem konstruktiven Aufwand, dem Produktlebenszyklus, den Bereichen Wartung, Ersatz und Retrofitting, sowie aus der Verwertung innerhalb des Materialkreislaufs. Insgesamt tragen betriebliche Emissionen mit 49 Prozent knapp zur Hälfte der Kohlenstoffemissionen der gebauten Umwelt bei. Es wird schnell deutlich, weshalb die Bauphysik für den Klimaschutz relevant ist.

Praktisch umsetzbare Maßnahmen

  • Genaue Bestandsaufnahme der ganzheitlichen Performance eines Gebäudes und seiner Ausrüstung anstelle von Bulk-Abschätzungen auf Grundlage traditioneller Tabellenwerke, Annahmen oder empirischer Zusammenhänge
  • Anwendung integrativer digitaler Methoden, die naturwissenschaftliche Methoden und innovatives Design ganzheitlich zusammenführen und nachhaltiges Planen und Bauen ermöglichen
  • Planerisches Detail gegenüber klimatologischen Einflussfaktoren auf der Mikro-Skala, das heißt standortgenau, ganzheitlich, langfristig
  • Anwendung nachhaltiger, kreislaufwirtschaftlicher Prinzipien bei der Auswahl von Material und Bauteilen bereits in den frühen Planungsphasen
  • Offenlegung von Datengrundlagen, beispielsweise des jährlichen Energieverbrauchs und der Energieerzeugung eines Gebäudes sowie Veröffentlichung in Zero-Carbon- und Low-Energy-Building-Datenbanken

Klimagerechte Bauphysik stellt eine der größten und gleichzeitig eine der wichtigsten ökonomischen und industriellen Herausforderungen unserer Zeit dar. Alle am Prozess beteiligten Stakeholder sind gefragt, zu einer Lösung beizutragen.

Anwendungsbeispiele für CFD und FEM

Mit Virtual Engineering lassen sich nicht nur statische Kenngrößen ermitteln. Die Anwendungsmöglichkeiten gehen weit darüber hinaus: Virtual Engineering ermöglicht den Einsatz eines Produktes, Bauteils oder Konstruktionselements unter variablen Umgebungsbedingungen über längere Zeiträume zu überprüfen und zu optimieren. Sensorinformationen, wie beispielsweise Wetterdaten, oder andere Mess- und Modelldaten, lassen sich als externe Einflussfaktoren direkt in die Modellierung einbeziehen. Damit ergänzen Verfahren des Virtual Engineering, insbesondere Computational Fluid Dynamics (CFD) und die Finite Element Analysis (FEA), herkömmliche Verfahren der bauphysikalischen Planung und Entwicklung, wie Dynamic Thermal Modells (DTM), und gliedern sich nahtlos in bestehende Arbeitsabläufe ein.

Mögliche Einsatzgebiete für CFD und FEM gehen weit über die Planung von Gebäuden und Quartieren hinaus. Bereits in frühen Planungsphasen können Architekten und Fachplaner bauphysikalische Untersuchungen für eine ökologische, nachhaltige und kreislauforientierte Produktion und Verwertung von Baustoffen und Bauteilen durchführen.

Insbesondere CFD erlaubt komplexe Untersuchungen. Beispielsweise werden Wechselwirkungen zeitgleich ablaufender physikalischer und chemischer Prozesse ermittelbar. Entsprechende Einsatzmöglichkeiten im Bereich der Bauphysik für klimagerechtes Design und die energiearme Auslegung von gebäudetechnischen Anlagen sind nahezu unbegrenzt.

CFD- und FEM-Simulationen eignen sich daher auch für tiefergehende wissenschaftliche Analysen auf langen Zeitskalen und forensische Untersuchungen.

CFD/FEM Simulationen des Wärmedurchgangs an Fenstern und Türen nach ISO 10077. Dargestellt sind die Anwendungsfälle D3 (links) und D10 (rechts), die hervorragend mit anderen Benchmarkmodellen übereinstimmen. Temperaturverteilungen in der oberen Reihe, unten die entsprechenden Wärmeströme.

CFD/FEM Simulation der Wärmeleitung eines mehrstöckigen Gebäudes nach EN ISO 10211 unter Einbeziehung standortspezifischer Umgebungsbedingungen. Die Kältebrücke induziert deutliche Wärmeverluste im oberliegenden Stockwerk und erhöht das Risiko für Schimmelbildung.

CFD/FEM Simulation der Heizleistung einer Fussbodenheizung und der Wärmeverteilung im Innenraum in direkter Gegenüberstellung mit einer Wärmebildkamera (oben).

CFD Simulation des konjugierten Wärmeaustauschs zwischen Fluid und Struktur am Beispiel eines Wärmetauscherbauteils in einem passiv arbeitenden HVAC System.

CFD/FEM Simulationen des Wärmedurchgangs an Fenstern und Türen nach ISO 10077. Dargestellt sind die Anwendungsfälle D3 (links) und D10 (rechts), die hervorragend mit anderen Benchmark-modellen übereinstimmen. Temperaturverteilungen in der oberen Reihe, unten die entsprechenden Wärmeströme.

CFD/FEM Simulation der Wärmeleitung eines mehrstöckigen Gebäudes nach EN ISO 10211 unter Einbeziehung standortspezifischer Umgebungsbedingungen. Die Kältebrücke induziert deutliche Wärmeverluste im oberliegenden Stockwerk und erhöht das Risiko für Schimmelbildung.

CFD/FEM Simulation der Heizleistung einer Fussbodenheizung und der Wärmeverteilung im Innenraum in direkter Gegenüberstellung mit einer Wärmebildkamera (oben).

CFD Simulation des konjugierten Wärmeaustauschs zwischen Fluid und Struktur am Beispiel eines Wärmetauscherbauteils in einem passiv arbeitenden HVAC System.

Mögliche Einsatzgebiete für CFD und FEM gehen weit über die Planung von Gebäuden und Quartieren hinaus. Bereits in frühen Planungsphasen können Architekten und Fachplaner bauphysikalische Untersuchungen für eine ökologische, nachhaltige und kreislauforientierte Produktion und Verwertung von Baustoffen und Bauteilen durchführen.

Insbesondere CFD erlaubt komplexe Untersuchungen. Beispielsweise werden Wechselwirkungen zeitgleich ablaufender physikalischer und chemischer Prozesse ermittelbar. Entsprechende Einsatzmöglichkeiten im Bereich der Bauphysik für klimagerechtes Design und die energiearme Auslegung von gebäudetechnischen Anlagen sind nahezu unbegrenzt.

CFD- und FEM-Simulationen eignen sich daher auch für tiefergehende wissenschaftliche Analysen auf langen Zeitskalen und forensische Untersuchungen.

Leistungsumfang - Bauphysik

Unsere Virtual-Engineering-Leistungen im Bereich Bauphysik sind vielfältig und auf Niedrig-Energie-Design sowie kreislauforientierte Lösungen zugeschnitten.

Mit ganzheitlichen Methoden und Lösungen unterstützen wir Sie dabei, das Mikroklima am Standtort Ihres Bauvorhabens zu optimieren.

Bauphysik ist dabei nicht nur der Schlüssel für Behaglichkeit und besseren Wohnkomfort durch optimierte Fassaden und Bauelemente. Ihre Bedeutung geht weit darüber hinaus: Die Objekte eines Quartiers lassen sich so aufeinander abstimmen, dass sie klimaresilient gestaltet werden.

Niedrig-Energie-Design​

Energiebilanzierung

Passives Niedrigenergie Design
Mit besonderem Fokus auf energiearme passive natürliche Ventilation
Optimierung des Mikroklimas

Ganzheitliche thermische Simulation

Isolationseigenschaften

Überhitzungsrisiko

Gleichgewicht Tageslicht und Beheizung

Kühl- und Wärmeverluste

Wärmespeicher

Wärmeübertragung

Konjugierter Wärmeübergang zwischen Festkörper und Fluiden
Solare Einstrahlung
Strahlungstemperatur
Strahlung von Oberfläche zu Oberfläche
Wellenlängenaufgelöste Strahlung

Thermischer Komfort

Berücksichtigung des Verhaltens von Personen im Raum
Physiologische, metabolische Faktoren
Operative (erlebte) Temperatur
Predicted Mean Voting PMV
Predicted Percentage of Dissatisfied PPD

Feuchte / Hygrothermische Simulation

Kondensation / Verdunstung
Schimmelbildung

Einbeziehung des standortspezifischen Wettergeschehens und klimatologischer Faktoren

Berücksichtigung langfristiger Klimaprojektionen, wie RPC und CORDEX

Beachtung kreislaufwirtschaftlicher Prinzipien

Regeneratives Design

Gestaltung kreislauforientierter Lösungen der Herstellung, Anwendung, Wiederverwendung und Verwertung von Materialien und Bauteilen

LCA Anbindung (Carbon Lifecycle Assessment)

Berücksichtigung des gesamten Lebenszyklus und des realen Wertes eines Materials bzw. Produkts

Entwicklung und Einsatz nachhaltiger Baustoffe und naturbasierter Lösungen

Natürliche und mechanische Ventilation

Infiltration / Luftdichtheit

Auftriebsgetriebene Strömungen

Buoyancy
Stack Ventilation
Thermischer Kamin u.a.

HVAC Anlagenentwicklung und -Optimierung

Direkte Modellierung der Wetter- und Klimabeeinflussung

Alternativ zur Einbindung externer Wetter- und Klimadaten

Behaglichkeit und Komfort in Außenbereichen

Leichtgewichtige Verschattungsstrukturen

Visueller Komfort

Lichtdurchlässigkeit und optische Dicke

Aerosolbelastung der atmosphärischen Grenzschicht

Klimabasierte Tageslichtanalyse

Berücksichtigung Lichteffekte des biologischen circadianen Rhythmus (Circadian Lighting)

Niedrig-Energie-Design​

Energiebilanzierung

Passives Niedrigenergie Design
Mit besonderem Fokus auf energiearme passive natürliche Ventilation
Optimierung des Mikroklimas
 

Natürliche und mechanische Ventilation

Infiltration / Luftdichtheit

Auftriebsgetriebene Strömungen

Buoyancy
Stack Ventilation
Thermischer Kamin u.a.

HVAC Anlagenentwicklung und -Optimierung

Direkte Modellierung der Wetter- und Klimabeeinflussung

Alternativ zur Einbindung externer Wetter- und Klimadaten

 

Beachtung kreislaufwirtschaftlicher Prinzipien

Regeneratives Design

Gestaltung kreislauforientierter Lösungen der Herstellung, Anwendung, Wiederverwendung und Verwertung von Materialien und Bauteilen

LCA Anbindung (Carbon Lifecycle Assessment)

Berücksichtigung des gesamten Lebenszyklus und des realen Wertes eines Materials bzw. Produkts

Entwicklung und Einsatz nachhaltiger Baustoffe und naturbasierter Lösungen

 

Behaglichkeit und Komfort in Außenbereichen

Leichtgewichtige Verschattungsstrukturen

Ganzheitliche thermische Simulation

Isolationseigenschaften

Überhitzungsrisiko

Gleichgewicht Tageslicht und Beheizung

Kühl- und Wärmeverluste

Wärmespeicher

Wärmeübertragung

Konjugierter Wärmeübergang zwischen Festkörper und Fluiden
Solare Einstrahlung
Strahlungstemperatur
Strahlung von Oberfläche zu Oberfläche
Wellenlängenaufgelöste Strahlung

Thermischer Komfort

Berücksichtigung des Verhaltens von Personen im Raum
Physiologische, metabolische Faktoren
Operative (erlebte) Temperatur
Predicted Mean Voting PMV
Predicted Percentage of Dissatisfied PPD

Feuchte / Hygrothermische Simulation

Kondensation / Verdunstung
Schimmelbildung

Einbeziehung des standortspezifischen Wettergeschehens und klimatologischer Faktoren

Berücksichtigung langfristiger Klimaprojektionen, wie RPC und CORDEX

 

Visueller Komfort

Lichtdurchlässigkeit und optische Dicke

Aerosolbelastung der atmosphärischen Grenzschicht

Klimabasierte Tageslichtanalyse

Berücksichtigung Lichteffekte des biologischen circadianen Rhythmus (Circadian Lighting)

Niedrig-Energie-Design​

Energiebilanzierung

Passives Niedrigenergie Design
Mit besonderem Fokus auf energiearme passive natürliche Ventilation
Optimierung des Mikroklimas
 

Ganzheitliche thermische Simulation

Isolationseigenschaften

Überhitzungsrisiko

Gleichgewicht Tageslicht und Beheizung

Kühl- und Wärmeverluste

Wärmespeicher

Wärmeübertragung

Konjugierter Wärmeübergang zwischen Festkörper und Fluiden
Solare Einstrahlung
Strahlungstemperatur
Strahlung von Oberfläche zu Oberfläche
Wellenlängenaufgelöste Strahlung

Thermischer Komfort

Berücksichtigung des Verhaltens von Personen im Raum
Physiologische, metabolische Faktoren
Operative (erlebte) Temperatur
Predicted Mean Voting PMV
Predicted Percentage of Dissatisfied PPD

Feuchte / Hygrothermische Simulation

Kondensation / Verdunstung
Schimmelbildung

Einbeziehung des standortspezifischen Wettergeschehens und klimatologischer Faktoren

Berücksichtigung langfristiger Klimaprojektionen, wie RPC und CORDEX

 

Natürliche und mechanische Ventilation

Infiltration / Luftdichtheit

Auftriebsgetriebene Strömungen

Buoyancy
Stack Ventilation
Thermischer Kamin u.a.

HVAC Anlagenentwicklung und -Optimierung

Direkte Modellierung der Wetter- und Klimabeeinflussung

Alternativ zur Einbindung externer Wetter- und Klimadaten

 

Beachtung kreislaufwirtschaftlicher Prinzipien

Regeneratives Design

Gestaltung kreislauforientierter Lösungen der Herstellung, Anwendung, Wiederverwendung und Verwertung von Materialien und Bauteilen

LCA Anbindung (Carbon Lifecycle Assessment)

Berücksichtigung des gesamten Lebenszyklus und des realen Wertes eines Materials bzw. Produkts

Entwicklung und Einsatz nachhaltiger Baustoffe und naturbasierter Lösungen

 

Visueller Komfort

Lichtdurchlässigkeit und optische Dicke

Aerosolbelastung der atmosphärischen Grenzschicht

Klimabasierte Tageslichtanalyse

Berücksichtigung Lichteffekte des biologischen circadianen Rhythmus (Circadian Lighting)

 

Behaglichkeit und Komfort in Außenbereichen

Leichtgewichtige Verschattungsstrukturen

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