Gebäudemodell-basierte Simulation von Raumluftströmungen 2004-07-12

• Indoor Air Flow Simulation Based on a Building Model

van Treeck, Christoph Alban

Munich : Shaker (2004)
Doktorarbeit

Dissertation, Technische Universität München, 2004

Kurzfassung

Vorliegende Arbeit diskutiert Simulationstechniken zur quantitativen Bestimmung und Bewertung von Luftströmungen in Innenräumen und die Anbindung dieser Techniken an ein Gebäudemodell. Raumluftströmungen werden in ihrem Erscheinungsbild anhand typischer Konfigurationen der Gebäudehülle charakterisiert. Es werden ihre Auswirkungen auf den Energiehaushalt eines Gebäudes und auf das thermische Behaglichkeitsempfinden der Nutzer erläutert. Zur numerischen Simulation des transienten thermischen Gebäudeverhaltens wird ein Finite-Volumen Ansatz zur Bilanzierung der instationären Wärmeströme durch die Gebäudestruktur beschrieben. Durch die Diskretisierung dynamischer Mehrzonenmodelle ist das Auflösungsvermögen bezüglich Raumluftströmungen dabei begrenzt, da ein oder wenige Raumlufttemperaturknoten pro Zone zur Bestimmung der durch Druckdifferenzen induzierten Enthalpieströme verwendet werden. In bestimmten Fällen ist daher eine hochauflösende Simulation mit CFD-Verfahren nötig, um lokale Strömungsvorgänge analysieren zu können, wie anhand der Vorstudie einer gekoppelten Simulation gezeigt wird. Der Einsatz der entwickelten Kopplungsschnittstelle wird zunächst anhand einer Kopplung zwischen einem kommerziellen CFD-System und einem thermischen Mehrzonen-Gebäudemodell demonstriert. Als Referenzmodell dient ein Gebäude mit Atrium. Die Ergebnisse werden mit vorliegenden Messdaten verglichen. Die Anbindung von Simulationsverfahren an ein Bauwerksmodell wird durch die verschiedenen Modelle hinsichtlich Planung und Berechnung erschwert, die die unterschiedlichen Sichtweisen der am Planungsprozess Beteiligten implizieren. Zur Analyse und Interpretation der geometrischen, topologischen und semantischen Daten eines Bauwerksproduktmodells wird deshalb ein graphentheoretischer Ansatz vorgestellt. Zur Ableitung eines Raummodells werden ein Bauteilgraph, ein Raumflächengraph, ein Raumgraph und ein relationaler Objektgraph als Hilfsmittel identifiziert und Algorithmen zur Ableitung dieser Relationen entwickelt. Das Raummodell gestattet die semantische Identifizierung von Objekttypen und die Ableitung eines Objekt- und eines Oberflächenmodells, womit die Voraussetzung zur Kopplung zwischen dimensionsreduzierten und detaillierten Berechnungsverfahren des thermischen Gebäudeverhaltens gegeben ist. Die Anwendung des Verfahrens wird anhand der Analyse und geometrischen Diskretisierung eines komplexen Referenzmodells demonstriert. Zur Simulation konvektiver Raumluftströmungen wird das Gitter-Boltzmann Verfahren eingesetzt. Es werden dessen Erweiterungen hinsichtlich Energieerhaltung und eines Large-Eddy Feinstruktur-Turbulenzmodells diskutiert. Validierungsrechnungen des verwendeten hybriden thermischen Modells zeigen gute Übereinstimmungen mit Werten aus der Literatur. Anhand eines komplexen dreidimensionalen Beispiels der Innenraumluftströmung in einem Atrium wird die prototypische Umsetzung des Verfahrens aufgezeigt.

Einrichtungen

• Lehrstuhl für Energieeffizientes Bauen [312410]