Compliance

Virtual Engineering für Bewertungssysteme von Gebäudestandards​

COMPLIANCE IST EIN MULTIDISZIPLINÄRES AUFGABENGEBIET

Konformitätsprüfungen erfolgen traditioniell unter Anwendung von DTM Software (Dynamic Thermal Modelling). Zu diesem Zweck sind DTM seit vielen Jahren bewährte Werkzeuge für die Bewertung verschiedenster Gebäudeeigenschaften. Sie wurden für spezifische Einsatzzwecke konzeptioniert und eignen sich vor allem zur Ermittlung statischer und räumlich gemittelter Kenngrößen (zonale Parameter).

In der Bauplanung gibt es jedoch eine Reihe von Problemstellungen und Aufgaben, für die sie nicht geeignet sind. Dies gilt nicht mehr nur für große und anspruchsvolle Bauvorhaben, bei denen neue und komplexe Designs in besondere Weise berücksichtigt werden müssen.

Zukunftsgerichtete, nachhaltige und energieeffiziente Vorhaben erfordern auch bereits in kleineren Planungsmaßstäben eine komplexe Modellierung: Verschiedenste, sich wechselseitig beeinflussende Prozesse und Rahmenbedingungen sind mit einzubeziehen. Das Ermitteln von Kennzahlen auf Grundlage linearisierter und isoliert betrachteter Ansätze reicht dafür nicht aus.

Virtual Engineering und DTM

In vielen Anwendungsgebieten ergänzen sich DTM und CFD sehr gut. CFD kann zudem viele Fragestellungen in Bereichen beantworten, in denen der Einsatz von DTM nicht vorgesehen ist. Zahlreiche Untersuchungen haben darüber hinaus bewiesen, dass CFD-Simulationen häufig deutlich genauer ausfallen als DTM – beim gleichen Anwendungsfall. Um die ambitionierten Ziele ganzheitlicher und nachhaltiger Projekte zu erreichen, sind somit Methoden und Prozesse erforderlich, deren Leistungsfähigkeit über traditionelle Verfahren und Herangehensweisen hinausgehen. Es sind Werkzeuge nötig, die einerseits die geforderten zonalen und Bulk-Kenngrößen ermitteln können. Andererseits müssen sie transparent und nachvollziehbar das dynamische Verhalten von Material- und Umgebungsparametern lückenlos und unter vielen verschiedenen Planungsszenarien möglichst automatisiert durchlaufen. CFD als universelles Multiphysik-Werkzeug erfüllt all diese Vorraussetzungen in hervorragender Weise.

Der Vorteil von CFD und FEM bei Compliance-Untersuchungen

Der große Vorteil von CFD gegenüber DTM oder anderen Methoden ist die Möglichkeit, in einfacher und leicht verständlicher Weise sub-zonale Kenngrößen und transiente, also zeitlich abhängige, Zustandsbeschreibungen Ihres geplanten Vorhabens zu ermitteln. Diese Kennzahlen verleihen Ihrer Untersuchung und Planung eine deutlich höhere Aussagekraft.

Mögliche Ursachen nicht optimaler Leistungskennzahlen und erhöhter Risiken lassen sich dadurch schneller und einfacher ermitteln. Zudem stellt CFD verschiedene Verfahren der Optimierung bereit, die eine manuell gesteuerte oder automatische Variation gestaltgebender oder funktionaler Parameter erlauben.

Über intuitive Auswertungsverfahren lassen sich diese hochaufgelösten CFD-Daten wiederum schnell in die für Rating Standards entscheidenden, zonalen Kenngrößen überführen.

Ein einfacher Datenaustausch und die direkte Anbindung anderer Modellierungsframeworks, wie zum Beispiel SimulinkTM, erlauben vielfältige weiterführende Einsatz- und Untersuchungsmöglichkeiten.

Durch dynamisch wechselwirkende Vorgänge in der Bauphysik werden Konformitätsprüfungen komplex. Das gilt insbesondere für die Ermittlung folgender Kennzahlen:

  • zeitliche Entwicklung der Temperaturverteilung und der Ausbreitung von Feuchte in Innenräumen und der Bausubstanz (Tagesgang, saisonale Dynamik)
  • heterogener Luftmassenaustausch
  • besondere Windverhältnisse an hohen Gebäuden unter dem Einfluß der bebauten Umgebung
  • Mikroklima im Bereich komplexer Fassaden und hochreichender Strukturen
  • Komfortanforderungen unter besonderen klimatischen Standortbedingungen
  • Extremwettersituationen

Für welche Gebäudestandards ist CFD geeignet?

  • Allgemein​

    ASHRAE, BN, BEAM, BREEAM, CIBSE, DGNB, Estidama/PEARL, GBAS, GBI, Green Mark, Green Star, HQE, ICC, IgCC, LEED, PART L, Passivhaus, PromisE, QSAS, RELi, VERDE, WELL

  • Innenraumklima

    ASHRAE 55, 62, ISO 7730, BB 101, BN 311, CISBE AM 10, TM 52, TM 59, KS 16, EN 15251

  • Luftqualität (Air Quality)

    ASHRAE 62, BB 101, EN 15251, VDI 2262, VDI 3787

  • Gebäudeleistung, Energieeffizienz, Nachhaltigkeit

    CIBSE AM 11, TM 65, EN 15251, EN 16643, EN 15804, EN 15978, DIN V 18599, ISO 10077, EPBD, DBSP

  • Klima, Treibhausgase

    ASHRAE 105 & 169, CIBSE TM 36, 48, 49, CIBSE PCP, VDI 3785

  • Generelle Lebensqualität (Quality of Live, QoL)

    ISO 7243, VDI 3787

  • und viele andere.

Wir bieten Ihnen Konformitätsprüfungen auf Grundlage von CFD/FEM-Modellierung

Thermische Behaglichkeit

z.B. Indizes für Nutzerempfinden und Unbehaglichkeit (PPD, PMV)

Einfluss von Feuchte auf Wohlbefinden, Behaglichkeit und Gesundheit, den Produktlebenszyklus und Schädigungen der Bausubstanz

Überhitzungsrisiko

Ermittlung der Verteilung von Winddruckkoeffizienten an Fassaden hoher Gebäude unter Einbeziehung des Baubestands der Umgebung (cP)

Energieleistung & Effizienz

Windkomfort in Außenbereichen von Gebäuden

Umweltqualität im Innen- und Außenbereich

Lüftung, HVAC, CO2 , Feinstaub, Aerosole, Biopartikel (Pollen, Bakterien, Viren, Pathogene)

Urbaner Komfort

Ermittlung von Quellen und Verweildauer von Kontaminationen

Gase, Flüssigkeiten, Partikel

Einbeziehung von Geländeeffekten (Terrain) und Geoinformationen

Frischluftverhältnis

Einbeziehung des standortspezifischen Wetters und von Klimafaktoren

Luftmassenstromverfolgung

Standortbezogene Nachhaltigkeit

Ermittlung des gemittelten Luftmassenalters

Mean Age of Air (AoA)

Wassereffizienz und Ressourcenschutz

Wir bieten Ihnen Konformitätsprüfungen auf Grundlage von CFD/FEM-Modellierung

  • Thermische Behaglichkeit
  • z.B. Indizes für Nutzerempfinden und Unbehaglichkeit (PPD, PMV)
  • Überhitzungsrisiko
  • Energieleistung & Effizienz
  • Umweltqualität im Innen- und Außenbereich
  • Lüftung, HVAC, CO2 , Feinstaub, Aerosole, Biopartikel (Pollen, Bakterien, Viren, Pathogene)
  • Ermittlung von Quellen und Verweildauer von Kontaminationen
  • Gase, Flüssigkeiten, Partikel
  • Frischluftverhältnis
  • Luftmassenstromverfolgung
  • Ermittlung des gemittelten Luftmassenalters
  • Mean Age of Air (AoA)
  • Einfluss von Feuchte auf Wohlbefinden, Behaglichkeit und Gesundheit, den Produktlebenszyklus und Schädigungen der Bausubstanz
  • Ermittlung der Verteilung von Winddruckkoeffizienten an Fassaden hoher Gebäude unter Einbeziehung des Baubestands der Umgebung (cP)
  • Windkomfort in Außenbereichen von Gebäuden
  • Urbaner Komfort
  • Einbeziehung von Geländeeffekten (Terrain) und Geoinformationen
  • Einbeziehung des standortspezifischen Wetters und von Klimafaktoren
  • Standortbezogene Nachhaltigkeit
  • Wassereffizienz und Ressourcenschutz

Anwendungsbeispiele

Virtual Engineering Einsatz für Mikroklima Untersuchungen

Thermische Behaglichkeit, Überhitzungsrisiko und Luftqualität

CFD/FEM Simulationen der natürlichen Belüftung eines mehrstöckigen öffentlichen Gebäudes an einem subtropischen Standort. Der multiphysikalische Modellierungsansatz berücksichtigt die solare Einstrahlung, die thermische Masse der Gebäudesubstanz und den Strömungsantrieb auf Grundlage der natürlichen Konvektion.

Komfortrichtlinien entsprechend ISO 7730/EN 15251 werden ganzjährig eingehalten in Abhängigkeit bestimmter Designmerkmale. Höhere Dachkonstruktionen vergrößern den Gesamtvolumenstrom der Belüftung in den oberen Geschossflächen, behindern aber gleichzeitig die Effizienz ihrer Durchlüftung. Die Ventilationseigenschaften der Innenräume erlauben den weitestgehenden Verzicht auf zusätzliche mechanische Ventilation und Klimatisierung.

Nur über eine instationäre und sub-zonale Detailanalyse der thermalen Strömungsbedingungen lassen sich Problembereiche identifizieren, wie beispielsweise lokale Überhitzung. Designänderungen können schnell und effektiv in den Überprüfungen berücksichtigt werden, wenn ein bidirektionaler Datenaustausch mit mit anderen CAE Systemen besteht.

In den Simulationen wird die Gesamtzirkulation innerhalb der Räumlichkeiten nicht von zusätzlich einbezogenen speziellen Randbedingen angetrieben, sondern generiert sich selbst durch sogenannte differenzielle Dichtegradienten, die von geringen Temperaturunterschieden in den Räumlichkeiten hervorgerufen werden. Diese spezielle Kategorie von CFD-Simulationen vermitteln sehr realitätsgerechte Abbilder, da sie den Einfluss wechselseitiger Zirkulationsbedingungen (Turbulenz) räumlich hochaufgelöst auch in größeren Zirkulationsgebieten wiedergeben kann.

Natürliche Konvektion

CFD/FEM Simulationen von Aufenthaltsbedingungen und Komfortparametern nach ISO 7730 / EN 15251 in einem Großraumbüro, passiv belüftet durch natürliche Konvektion auf Grundlage der Wirkungsweise eines Solarkamins.

Auf der linken Seite der Räumlichkeiten in der oberen Abbildungsreihe werden die Temperaturverteilungen dargestellt, jeweils rechts die zugehörigen Strömungsgeschwindigkeiten (jeweils gemittelt über drei Stunden). Obwohl die Wirkungsweise des Solarkamins grundsätzlich komforable Aufenthaltsbedingungen (Kategorie 2) im gesamten Raum bietet (Region innerhalb der gelben Konturlinie), ist das Strömungsfeld geprägt von quasi-stationären Wirbeln, die sich über die gesamte Höhe des Raums erstrecken.

Eine Verstärkung dieser Zirkulation wird als Zugluft wahrgenommen, die menschlichen Komforterwartungen widerspricht. Geltende Indizes für Nutzerempfinden und Unbehaglichkeit PMV (Predicted Mean Voting – erwartete mittlere Beurteilung) und PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied – Prozentsatz erwarteter Unzufriedener) können in diesem Fall nicht mehr eingehalten werden.

Thermische Behaglichkeit, passive natürliche Ventilation, HVAC und Mikroklima
Thermische Behaglichkeit, passive natürliche Ventilation, HVAC und Mikroklima

Natürliche Konvektion

CFD/FEM Simulationen von Aufenthaltsbedingungen und Komfortparametern nach ISO 7730 / EN 15251 in einem Großraumbüro, passiv belüftet durch natürliche Konvektion auf Grundlage der Wirkungsweise eines Solarkamins.

Auf der linken Seite der Räumlichkeiten in der oberen Abbildungsreihe werden die Temperaturverteilungen dargestellt, jeweils rechts die zugehörigen Strömungsgeschwindigkeiten (jeweils gemittelt über drei Stunden). Obwohl die Wirkungsweise des Solarkamins grundsätzlich komforable Aufenthaltsbedingungen (Kategorie 2) im gesamten Raum bietet (Region innerhalb der gelben Konturlinie), ist das Strömungsfeld geprägt von quasi-stationären Wirbeln, die sich über die gesamte Höhe des Raums erstrecken.

Eine Verstärkung dieser Zirkulation wird als Zugluft wahrgenommen, die menschlichen Komforterwartungen widerspricht. Geltende Indizes für Nutzerempfinden und Unbehaglichkeit PMV (Predicted Mean Voting – erwartete mittlere Beurteilung) und PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied – Prozentsatz erwarteter Unzufriedener) können in diesem Fall nicht mehr eingehalten werden.

Virtual Engineering in der Bauplanung

Hochaufgelöste, genaue Verteilungen von Winddruckkoeffizienten cP an hohen Gebäuden unter Einbeziehung des Baubestands der Umgebung

Ermittlung des für die Energiemodellierung wichtigen Druckbeiwerts cP für ein 220 Meter hohes Gebäude. Die Vernachlässigung der bebauten Umgebung in der Simulation (linkes Bild) induziert große Fehler in der Vertikalverteilung des Druckbeiwerts und ist nicht mehr repräsentativ für die Strömungsbedingungen am Standort (grüne Kurve im Diagramm). In den Vergleich einbezogen, cP Werte aus einer DTM-Modellierung (Dynamic Thermal Model), die zu über 100 Prozent abweichen (runde Symbole im Diagramm). DTM verwenden standardmäßig nur abgeschätzte beziehungsweise von idealisierten Geometrien abgeleitete cP, die bei komplexer Formgebung keine Gültigkeit aufweisen.

Die von HGE eingesetzte Simulationssoftware bestimmt Druckverteilungen und Lasten mit hoher Genauigkeit, räumlich und zeitlich aufgelöst und kann ebenso im Innenbereich eingesetzt werden, beispielsweise zur Auslegung energiearmer HVAC-Anlagen.

Urban Wind Comfort

Hochaufgelöste CFD Untersuchung des Windkomforts in Bodennähe und auf höhergelegenen Freiflächen von Gebäuden (Pedestrian Wind Comfort) nach Lawson LDDC. In rot markierten Bereichen überschreiten Windverhältnisse die Komfort- oder Sicherheitskriterien, sodass Aktivitäten und Aufenthalt als unkomfortabel bis unsicher eingestuft werden. Blau markierte Bereiche gestatten gelegentlichen bis häufigen Aufenthalt. 

Die Aufenthaltsbedingungen in Außenbereichen von Gebäuden können auch unter schwierigen Bedingungen durch gezielte gestalterische Maßnahmen, wie der Bepflanzung mit Bäumen, optimiert werden. Die evotranspirativen Eigenschaften der Begrünung wirken sich zusätzlich positiv auf die Gesamtheit der Wohlfühlfaktoren aus.

Virtual Engineering für die Optimierung der Aufenthaltsbedingungen
Virtual Engineering für die Optimierung der Aufenthaltsbedingungen

Urban Wind Comfort

Hochaufgelöste CFD Untersuchung des Windkomforts in Bodennähe und auf höhergelegenen Freiflächen von Gebäuden (Pedestrian Wind Comfort) nach Lawson LDDC. In rot markierten Bereichen überschreiten Windverhältnisse die Komfort- oder Sicherheitskriterien, sodass Aktivitäten und Aufenthalt als unkomfortabel bis unsicher eingestuft werden. Blau markierte Bereiche gestatten gelegentlichen bis häufigen Aufenthalt. 

Die Aufenthaltsbedingungen in Außenbereichen von Gebäuden können auch unter schwierigen Bedingungen durch gezielte gestalterische Maßnahmen, wie der Bepflanzung mit Bäumen, optimiert werden. Die evotranspirativen Eigenschaften der Begrünung wirken sich zusätzlich positiv auf die Gesamtheit der Wohlfühlfaktoren aus.

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Tel: +49-(0)40-28 41 67 82

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