TGA Infomaterialien

TGA Ausgabe 09-2015
CFD-Strömungssimulation

Digitale Gebäude im virtuellen Windkanal


1 Bei ungewöhnlichen Raumkonzepten oder Nutzungsprofilen bietet die Strömungssimulation mehr Sicherheit, dass die Behaglichkeitskriterien in allen Bereichen eingehalten werden können.

1  Bei ungewöhnlichen Raumkonzepten oder Nutzungsprofilen bietet die Strömungssimulation mehr Sicherheit, dass die Behaglichkeitskriterien in allen Bereichen eingehalten werden können.

Was im Automobil- oder Flugzeugbau schon lange Standard ist, etabliert sich im Baubereich nur langsam, erhält aber durch BIM neue Impulse. Ebenso wie Autos oder Flugzeuge, lassen sich auch digitale Räume und Gebäude im „virtuellen Windkanal“ optimieren. Was leisten Strömungssimulationen im TGA-Bereich und wo liegen die Grenzen dieser Technik?

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Vor allem offene Raumkonzepte und mehrgeschossige Räume neigen zu störenden Luftbewegungen und lassen sich nicht ohne Weiteres bauklimatisch beherrschen.

Luftströmungs-Simulationen helfen, Maßnahmen gegen das Entstehen von Zugerscheinungen zu überprüfen, die Funktion von Heiz- und Lüftungskonzepten nachzuweisen und räumliche Temperaturverteilungen und lokale Luftgeschwindigkeiten zu optimieren.

Der planerische Mehraufwand wird durch eine Optimierung bauklimatischer Konzepte, mehr Behaglichkeit für die Nutzer, mehr planerische Sicherheit für die Fachplaner sowie eine Einsparung von Investitions- und Betriebskosten für RLT-Anlagen in der Regel mehr als aufgewogen.

Der Einsatz von CFD-Software und die Überprüfung der Ergebnisse setzt Fachwissen und viel Erfahrung voraus. Eine Alternative sind spezialisierte Dienstleister.

Welche Luftströmungen herrschen in der Empfangshalle? Reichen die vorgesehenen Zu- und Abluftöffnungen? An welcher Stelle sind sie optimal angebracht? Sind Zuglufterscheinungen zu erwarten? Erreichen Schadstoffkonzentrationen kritische Werte? Diese und weitere Fragen lassen sich, insbesondere bei Gebäuden besonderer Art und Nutzung, nicht oder nur mit viel Aufwand mit konventionellen, normierten Rechenverfahren klären.

Sobald Raumkonzepte oder Nutzungsprofile vom Standard abweichen, thermische Schichtungen, störende Luftbewegungen oder gar Turbulenzen zu erwarten sind, bieten Simulationen mehr Planungssicherheit. Mithilfe der numerischen Strömungsmechanik, auch Computational Fluid Dynamics (CFD) genannt, können Luftgeschwindigkeiten, Temperaturen und Gaskonzentrationen für jeden Punkt im Raum präzise berechnet werden.

Was leistet CFD-Strömungssimulation?

In der Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie, der chemischen Industrie und in weiteren Bereichen sind Strömungssimulationen schon seit Jahren Standard. Auch im Bauwesen wird dieses Planungshilfsmittel, nicht zuletzt wegen der zunehmenden 3D-Planung und der BIM-Methode (TGA 08-2014,   600067), immer häufiger genutzt.

Strömungssimulationen sind im Bauwesen dann notwendig, wenn aufgrund der Raumgeometrie oder der Anordnung von Öffnungen problematische Luftströmungen zu erwarten sind. Das können mehrgeschossige Räume, wie Foyers, Atrien, Treppenhäuser oder Fahrstuhlschächte oder offene Raumkonzepte, Zu- und Abluftöffnungen, Ventilatoren, Entrauchungsklappen und anderes mehr sein.

Luftströmungs-Simulationen ermöglichen Vorhersagen zum thermischen Komfort von Büroarbeitsplätzen, zur Schadstoffkonzentration in Tiefgaragen oder die Rauchverteilung im Brandfall (TGA 02-2015,   631638). Berechnet werden örtliche Luftgeschwindigkeiten, räumliche Temperaturverteilungen, Schadstoffkonzentrationen oder die relative Luftfeuchtigkeit. Ventilatoren, Filter, Wärme- oder Schadstoffquellen können ebenso berücksichtigt werden.

Damit sind Vorhersagen zu lokalen Raumlufttemperaturen, zum Heizleistungs- und Heizenergiebedarf, zu Luftwechseln sowie zur Wirksamkeit natürlicher oder mechanischer Lüftung möglich. Heizungs- und Kühlanlagen lassen sich präzise am individuellen Bedarf orientiert dimensionieren. Hauptfaktoren für das Behaglichkeitsempfinden der Nutzer sind Luftgeschwindigkeiten und -temperaturen, die Luftfeuchte und die Temperatur der Raumumschließungsflächen. Somit lassen sich auch Wohn- und Aufenthaltsräume, Arbeits- und Betriebsstätten auf ihre Behaglichkeit analysieren.

Neben Innenraumströmungen können auch Gebäudeumströmungen und Durchströmungen, Druck- und Sogkräfte, Strömungsgeräusche oder für die Gebäudestatik problematische Windlasten berechnet werden. Allgemein gilt: je früher CFD-Simulationen in der Projektphase eingesetzt werden, desto wirkungsvoller sind sie. Gebäude- und Raumkonzepte, Fassaden- oder Anlagenkonzepte befinden sich dann noch in der Entwicklungsphase, sodass Erkenntnisse aus der Simulation einfacher umgesetzt werden können.

Wie funktioniert die CFD-Methode?

Die CFD-Strömungssimulationen basieren auf einem digitalen 3D-Gebäudemodell, das die Objektgeometrie mit allen strömungsrelevanten Details beschreibt. Das Modell wird dann von der Software in eine Vielzahl kleiner, miteinander vernetzter Zellen unterteilt. Für jede dieser Zellen werden mithilfe von Navier-Stokes-Gleichungen zur Berechnung reibungs-behafteter Strömungen nach den physikalischen Prinzipien der Energie-, Massen- und Impulserhaltung physikalische Größen, wie Temperatur, Druck, Dichte, Gaskonzentrationen etc. als Funktionen von Ort und Zeit präzise ermittelt.

Da jede Zelle von ihren Nachbarzellen beeinflusst wird, ist der Rechenaufwand groß und nur rechnergestützt zu bewältigen. Das zu untersuchende Objekt kann entweder mithilfe eines in der Regel integrierten 3D-Editors nach Handskizzen-Vorlagen oder Plänen modelliert, über Standard-Datenformate (beispielsweise DXF oder DWG) respektive die BIM-Schnittstelle IFC importiert werden. BIM-Modelle können derzeit Autodesk Simulation CFD, das BIM HVACTool, CFdesign oder SolidWorks Flow Simulation importieren.

Bestehende Objekte lassen sich mit 3D-Laserscannern erfassen, auswerten und importieren. Das fertige 3D-Modell wird in eine endliche Anzahl kleiner Zellen (finite Volumen) unterteilt und damit ein, die Berechnung vereinfachendes, kartesisches oder unstrukturiertes Rechengitter generiert (Vernetzung). Die erforderliche Zellenanzahl und -größe hängt von der Objektgröße und -geometrie ab, typische Werte liegen zwischen 10 000 und einigen Millionen Zellen. Die Zellenanzahl entscheidet über die Genauigkeit der Nachbildung der zu untersuchenden Geometrie.

Nach der Vernetzung muss ein geeignetes Rechenmodell für die relevanten physikalischen Prozesse ausgewählt werden. Ferner müssen Randbedingungen für die Berechnung definiert werden (Viskosität, Dichte, Temperatur des Fluids etc.). Aus den Energie- und Masseströmen, die zwischen benachbarten Zellen ausgetauscht werden, lassen sich lokale Temperaturen, Drücke und Geschwindigkeiten im Raum zu einem bestimmten Zeitpunkt oder einen kurzen Zeitraum berechnen.

Wo wird CFD-Simulation eingesetzt?

CFD-Simulationsverfahren sind sehr vielseitig einsetzbar – bei der Planung von Bürogebäuden, Einkaufszentren, Tiefgaragen, Flughafenterminals, Rechenzentren, IT-Räumen, Reinräumen, Hörsälen, Museen, Produktionshallen oder Sportstadien. Auch die Entwicklung von RLT-Anlagen oder anderen Objekten aus dem TGA-Bereich, bei denen Luft-, aber auch Wasserströmungen eine Rolle spielen, kann die CFD-Methode wertvolle Dienste leisten.

Zu den Beispielen zählt die Optimierung der Formgebung, der Leistung und der Geräuschentwicklung oder Vibration von Gebläsen, Lüftern, Kompressoren, Kühlkörpern und Wärmeübertragern. Auch die Hersteller von Armaturen, WC-Spülkästen und Sanitärkeramik setzen häufig CFD-Strömungssimulationen für die Optimierung von Form, Spülleistung und Geräuschentwicklung ein. TGA-Planer kommen mit der CFD-Methode am häufigsten bei der Entwicklung von Lüftungs- und bauklimatischen Konzepten in Kontakt. Die Bandbreite reicht dabei von der Optimierung von RLT-Anlagen …

… bis hin zu deren Verzicht durch geeignete bauliche Maßnahmen. Sollen mechanische Lüftungsanlagen vermieden werden, muss zunächst die Wirksamkeit der natürlichen Durchlüftung nachgewiesen werden. Das ist jedoch angesichts des komplexen Wechselspiels von Objektgeometrie, Thermik, Winddruck und -sog anspruchsvoll.

Bei Hochhäusern müssen zusätzlich zu den horizontalen auch vertikale Luftbewegungen berücksichtig werden, zumal Temperaturdifferenzen innen und außen an kalten Wintertagen beachtliche Druckdifferenzen mit ausgeprägten Unterdruckzonen im unteren und Überdruckzonen im oberen Gebäudebereich erzeugen können. Kaltluft im Eingangsbereich, eine Geruchsübertragung von Tiefgaragen ins Innere, Zugerscheinungen, Strömungsgeräusche und anderes mehr sind typische Auswirkungen. Strömungssimulationen berücksichtigen sowohl horizontale als auch die vertikale Gebäudedurchströmungen und bieten dadurch mehr Sicherheit, dass die geplanten Gegenmaßnahmen ihren Zweck erfüllen.

Welche CFD-Lösungen bietet der Markt?

CFD-Lösungen gibt es als allgemeine, branchenübergreifende Programme (beispiels-weise CFdesign), als speziell für den HKL-Bereich angepasste Programme (beispielsweise FloVENT) oder als modularer Teil eines Gesamtpakets für die interdisziplinäre, dynamische Gebäudesimulation (beispielsweise 3D Airflow). Die Kosten für die Software liegen zwischen 0 Euro für freie Open-Source-Software wie SU2 (su2.stanford.edu) oder OpenFoam ( www.openfoam.com ) und 9000 bis 25 000 Euro und noch deutlich mehr für kommerziell vertriebene Komplettlösungen.

Werden CFD-Simulationen nur gelegentlich genutzt, ist eine nach der Nutzungsdauer abgerechnete Miet- bzw. SaaS-Lösung (Software as a Service) meist sinnvoller. Folgende CFD-Programme bietet der Markt (ohne Anspruch auf Vollständigkeit):

3D Airflow dient der Analyse von Strömungseigenschaften, der Lüftungsqualität, der thermischen Behaglichkeit, der Temperaturverteilung, aber auch für zeitlich-dynamische Abläufe wie die Rauch- und Schadstoffausbreitung im Gebäude. Das 3D-Modell kann auch für lichttechnische, thermische oder akustische Simulationen eingesetzt werden.

Ansys CFX und Ansys Fluent sind zwei Lösungen zur Berechnung von Strömungen, Wärme- und Stoffübergang und einer Vielzahl zusätzlicher Phänomene, wie Turbulenzen oder Mehrphasenströmungen in den Bereichen Chemie- und Verfahrenstechnik, Energie- und Umwelttechnik, Luft- und Raumfahrttechnik sowie in der Automobilbranche.

Autodesk CFD bietet flexible Werkzeuge für Strömungsanalysen und thermische Simulationen. Eine Verknüpfung zwischen dem CAD-System und der Autodesk CFD-Analysesoftware ermöglicht assoziative Strömungsanalysen. Alternativ können Objektgeometrien mit den integrierten SimStudio Tools erstellt und modifiziert werden.

Das BIM HVACTool ist ein universelles Green Building Simulationswerkzeug für die Tageslicht-, Brand-, Wind-, Strömungs- sowie die thermische Simulation. Für CFD-Strömungssimulationen nutzt das BIM HVACTool die freie Open-Source-Software OpenFoam.

CFdesign ist ein multifunktional einsetzbares CFD-System, das umfassende Designstudien zu Strömungs- und Wärmeübertragungsszenarien ermöglicht. Neben Räumen können auch Anlagenkomponenten wie Lüfter, Kühlkörper, Wärmetauscher etc. optimiert werden. Der Funktionsumfang des Basissystems ist mit Zusatzmodulen erweiterbar.

Fine Open ist eigentlich eine CFD-Software mit Schwerpunkt im Maschinen- und Flugzeugbau für komplexe Innen- und Außenströmungen für kompressible oder inkompressible Fluide und Fluidmischungen und alle Geschwindigkeitsbereiche. Gebäude oder technische Anlagen lassen sich mit Fine open aber ebenso optimieren.

FloVent dient der rechnergestützten Analyse von Luftströmungen, der Wärmeübertragung und der Verbreitung von Verunreinigungen im und außerhalb von Gebäuden. Das Programm wurde speziell für die Planung und Optimierung von Systemen zur Heizung, Belüftung und Klimatisierung ausgelegt.

Auch Flair ist ein speziell für TGA-Zwecke entwickeltes Phoenics-Modul für Luftströmungs-, Wind- und Brandsimulationen. Die Simulationssoftware Phoenics dient der Berechnung von Massen- und Wärmetransportvorgängen in Flüssigkeiten und Gasen.

SolidWorks Flow Simulation ist ein einfach bedienbares Programm für die Simulation von Flüssigkeitsströmungen und die Thermoanalyse, das vollständig in die SolidWorks-Software integriert ist, was den Workflow bei der Entwicklung von 3D-Modellen seigert, da sich Objekte direkt in der CAD-Umgebung strömungstechnisch optimieren lassen.

Star-CCM+ ermöglicht auf der Grundlage von CFD-Simulationen die Entwicklung optimierter Lösungen im Hinblick auf die Behaglichkeit und Energieeffizienz von Räumen, Gebäuden und Anlagen. Das Programm wird auch für Untersuchungen bei der Schadstoff- und Rauchausbreitung innerhalb von Gebäuden oder die Ermittlung von Windlasten eingesetzt.

TAS CFD Ambiens ist ein Erweiterungsmodul der thermischen Gebäudeoptimierungslösung TAS Building Designer. Über eine CFD-Simulation kann das Mikroklima eines Raumes als 2D-Schnitt dargestellt werden. Damit lässt sich die räumliche Verteilung der Luftgeschwindigkeit und Luftfeuchte, der Strahlungs- und Lufttemperatur graphisch abbilden.

Wo liegen die Grenzen?

Strömungssimulationen werden häufig in Kombination mit der thermischen Gebäudesimulation eingesetzt, denn beide Werkzeuge ergänzen sich gegenseitig. Bei der thermischen Gebäudesimulation werden Lasten und Jahresenergiemengen fürs Heizen und Kühlen bei vorgegebenen Raumparametern und Wetterdaten über einen langen Zeitraum in Zeitschritten berechnet. Die CFD-Methode bildet immer dann eine wertvolle Ergänzung, wenn kein homogenes, ideal durchmischtes Luftvolumen vorliegt und lokale Temperatur- oder Luftgeschwindigkeitswerte für jeden einzelnen Punkt im Raum benötigt werden.

Der Aufwand für eine CFD-Simulation ist abhängig von der Fragestellung und vom geforderten Detaillierungsgrad. Während in früher Projektphase auch mit einfacheren Modellen konzeptionelle Fragen beantwortet werden können, rücken mit fortschreitender Planung Dimensionierungs- und Optimierungsfragen in den Vordergrund, wodurch der Detaillierungsgrad der Berechnungen und damit auch der Aufwand erheblich zunehmen.

Jeder Computersimulation sind allerdings auch Grenzen gesetzt. Dies sind einerseits wirtschaftliche Grenzen, die nur einen begrenzten Einsatz an Zeit und Rechenkapazität erlauben. Die von der Objektgröße, der Feinmaschigkeit des Rechengitters und weiteren Faktoren abhängigen Rechenzeiten, können Stunden bis mehrere Tage dauern.

Da die verwendeten Modelle eine mehr oder weniger grobe Vereinfachung der Realität darstellen, ist auch die Genauigkeit der Simulationsergebnisse begrenzt. Falsche Annahmen, fehlerhafte Eingaben oder eine ungenaue Beschreibung der Randbedingungen führen zwangsläufig zu ungenauen oder gar falschen Ergebnissen. Überprüfen lassen sich die Ergebnisse nur, indem sie mit den Resultaten von Normberechnungen oder den Messergebnissen von Modellversuchen (Windkanal, Klimakammer) verglichen werden.

Nur so gut, wie die Anwender

Simulationen liefern keine fertigen Lösungen, dafür ist letztlich der Fachplaner verantwortlich. Sie sind aber ein wirkungsvolles Werkzeug für den Nachweis, respektive zur Optimierung von Heizungs- und Lüftungskonzepten. CFD-Simulationen generieren einen planerischen Mehraufwand, der sich aber auch durch einen erheblichen Erkenntnis-Gewinn in früher Projektphase und mehr Planungssicherheit rechtfertigen lässt. Schließlich kann man bereits auf der Basis erster, halbwegs maßstäblicher Architektenskizzen wichtige Grundlagen schaffen, deren Realisierung in späteren Planungsphasen einen erheblichen Aufwand und noch mehr Kosten verursachen würde.

Teilweise lassen sich auch Investitions- und Betriebskosten einsparen, weil Gebäude und RLT-Anlagen genauer und ohne die üblichen Sicherheitszuschläge an die tatsächlichen Bedürfnisse angepasst werden können. CFD-Simulationsprogramme sind somit sehr sinnvolle, leistungsfähige und vielseitige Werkzeuge, die allerdings nur so gut sind, wie das Know-how der Anwender, die es bedienen. Sie müssen alle denkbaren Randbedingungen und Szenarien erfassen, die Ergebnisse kritisch hinterfragen, korrekt interpretieren und die richtigen Schlüsse ziehen, was Fachwissen und viel Erfahrung voraussetzt. Marian Behaneck

Literatur / weitere Infos

[1] Fahrig, T.: Computergestützte Optimierung von Raumluftströmungen. Saarbrücken: VDM Verlag Dr. Müller / OmniScriptum Publishing Group, 2008

[2] Seerig, A.; Mengiardi, J.: Planung nach Maß für energieeffiziente und Behagliche Gebäude. Wien: Weka-Verlag Österreich, HLK 10-2008

[3] Barp, S.: Unsichtbare Strömungen. Zürich: Verlags-AG der akademischen technischen Vereine, tec 21, 18-2010

[4]  www.cfd-online.com CFD Online-Portal

[5]  www.baufachinformation.de Suchwort: „CFD“ etc.

Inhaltsübersicht

  1. Teil: Digitale Gebäude im virtuellen Windkanal
  2. Teil: Produkte und Anbieter*)
  3. Teil: Anwender / Dienstleister*)
  4. Teil: CFD-Simulation in der TGA
  • 2  Paracelsusbad in Salzburg, Gebäude mit Kurhaus und Schwimmbad. Durch die besondere Raumform, die Nutzung und das RLT-Konzept bedingte Luftströmungen und Temperaturen lassen sich für jeden Raumpunkt präzise berechnen und sichtbar machen. Oben: Raumschnitte zur Verdeutlichung der Temperaturbereiche. Unten: Raumströmungssimulation infolge der Zu- und Abluftführung sowie der Thermik. Jeweils Winterbetrieb bei einer Außentemperatur von – 15 °C.

  • 3  Je früher Strömungssimulationen eingesetzt werden, desto einfacher lassen sich daraus gewonnene Erkenntnisse umsetzen.

  • 4  Detailuntersuchungen helfen, die thermische Behaglichkeit am Arbeitsplatz zu optimieren.

  • 5  Auch Problemzonen von Server-Räumen lassen sich mithilfe einer CFD-Analyse im Vorfeld aufdecken.

  • 6  Stresstest: In Doppelböden oder über abgehängten Decken lassen sich Luftströmungen und Temperaturverhältnisse ebenfalls sichtbar machen.

  • 7  Vor der Simulation muss das Objekt mit allen strömungstechnisch relevanten Details modelliert werden; …

  • 8  … anschließend lassen sich Luftströmungen, -geschwindigkeiten, -temperaturen und andere Parameter unter verschiedenen Randbedingungen berechnen.

  • 9  Auch einzelne haustechnische Komponenten, hier Solarmodule, lassen sich strömungstechnisch überprüfen. Windströmungs-Analysen von vorn und von hinten zeigen die Schwachstellen.

  • 1  Die CFD-Analyse mit anschließender Visualisierung von Gebäudeumströmungen zeigt Problemzonen für Fußgänger im Außenbereich auf.

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