Digitale Winde

Kompakt informieren

• Mithilfe der numerischen Strömungssimulation (Computational Fluid Dynamics, CFD) können die Luftgeschwindigkeit, der Wärme- und Stofftransport für jeden Punkt im Raum untersucht werden.
• Durch CFD lässt sich bei innovativen Gebäude- und Anlagenkonzepten die unvermeidliche Lösungs­methode „Trial and Error“ vom realen ins virtuelle Objekt verlagern, was Fehlinvestitionen und Nachbesserungen vermeidet.
• CFD-Einstieglösungen kosten ab etwa 10000 Euro, voll ausgebaute Systeme über 25000 Euro. Wichtig bei der Auswahl ist, dass das Programm für die ­Anwendung und auch für den Anwender geeignet sein muss.

Für die HKL-Planung durchschnittlicher Gebäude braucht man keine aufwendige Technik. Formeln, Normen und Erfahrungswerte genügen, um ideale Voraussetzungen für ein als angenehm und behaglich empfundenes Raumklima zu schaffen. Sobald allerdings Objektgeometrien oder Nutzungsprofile vom Standard abweichen, thermische Schichtungen, Luftbewegungen und Turbulenzen eine Rolle spielen, wird aus einer einfachen Fingerübung schnell eine herausfordernde Aufgabe. Die Wechselwirkungen mehrerer, sich gegenseitig beeinflussender Parameter lassen sich dann ohne rechnergestützte Simulationen kaum noch berechnen. Mithilfe der numerischen Strömungssimulation (Computational Fluid Dynamics, CFD) können die Luftgeschwindigkeit, der Wärme- und Stofftransport für jeden Punkt im Raum und bis ins Detail untersucht werden.

Einsatzbereiche und Möglichkeiten

Rechnergestützte Strömungssimulationen sind dann sinnvoll und notwendig, wenn durch die Raumgeometrie oder die Anordnung von Öffnungen bedingte Luftströmungen untersucht werden sollen, die mit herkömmlichen Methoden nicht oder sehr umständlich darstellbar sind. Das können Räume sein, die sich über mehrere Geschosse erstrecken (Atrien, Treppenhäuser, Installations-/Fahrstuhlschächte etc.), besondere Raumformen (freie Form, extremes L/B/H-Verhältnis etc.), in Räume einmündende Zu- oder Abluftöffnungen (Fenster, Ventilatoren, Entrauchungsklappen etc.), Doppelfassaden und anderes mehr. CFD-Modelle ermöglichen konkrete Vorhersagen, beispielsweise im Hinblick auf den thermischen Komfort von Büroarbeitsplätzen, die Schadstoffkonzentration in Tiefgaragen oder die Sichtweiten im Brandfall (siehe auch: „Feuer-Ware – Brandsimulation am PC“, TGA-Fachplaner 8-2008 Webcode 207954).

Als Ergebniswerte erhält man örtliche Luftgeschwindigkeiten, räumliche Temperaturverteilungen oder die relative Luftfeuchtigkeit. Die auftretenden Luftströmungen lassen sich qualitativ wie quantitativ mit hoher räumlicher Auflösung ermitteln. Auch eingebaute Ventilatoren, Filter, Wärme- oder Schadstoffquellen können berücksichtigt werden. Damit sind verlässliche Vorhersagen zu lokalen Raumlufttemperaturen, zum Heizleistungs- und Heizenergiebedarf, zu Luftwechseln sowie zur Wirksamkeit natürlicher oder mechanischer Lüftung möglich. Heizungs- und Kühlanlagen lassen sich optimal, das heißt am individuellen Bedarf orientiert, dimensionieren.

Wird CFD in einer frühen Planungsphase eingesetzt, lassen sich Problemzonen eliminieren sowie Gebäude- und Raumkonzepte, Fassaden- oder Anlagenkonzepte optimieren. Dann ist die erzielbare Wirkung am größten, weil entscheidende Faktoren einfacher beeinflusst werden können und Konzeptänderungen noch ohne hohe Folgekosten möglich sind. Bei den aus thermischer Sicht besonders heiklen Atrien oder großflächig verglasten Gebäudebereichen lassen sich Fragen zum Sonnenschutz, zur natürlichen Be- und Entlüftung oder zum Kaltluftabfall zuverlässig beantworten Abb. 2. Vor allem aber können Wohn- und Aufenthaltsräume, Arbeits- und Betriebsstätten vor ihrer baulichen Realisierung auf ihre Behaglichkeit (siehe Info-Kasten) analysiert werden Abb. 3.

Darüber hinaus ist auch eine zeitlich-dynamische Berechnung von Abläufen, etwa die Rauch- und Schadstoffausbreitung im Gebäude, möglich. Neben Innenraumströmungen Abb. 4 können auch Gebäudeumströmungen und Durchströmungen simuliert werden. Letztere dienen dazu, Druck- und Sogkräfte sowie Probleme, u.a Zugerscheinungen oder Strömungsgeräusche, zu ermitteln, ferner für die Gebäudestatik bedeutsame Windlasten zu berechnen Abb. 1.

Computational Fluid Dynamics

Mit numerischer Strömungssimulation lassen sich strömungsmechanische Aufgaben in vielen Bereichen annäherungsweise über numerische Methoden lösen. In der Automobilindustrie, der Luft- und Raumfahrttechnik, in der Energietechnik, der Verfahrenstechnik, der Chemischen Industrie und in vielen weiteren Bereichen, ­zunehmend aber auch im Bauwesen ist CFD ein unverzichtbares Planungshilfsmittel. Den Ausgangspunkt bildet stets ein dreidimensionales CAD-Modell, welches die Objektgeometrie mit allen strömungsrelevanten Details beschreibt. Das Objekt kann entweder nach Handskizzen-Vorlagen modelliert, über eine CAD-Schnittstelle oder im Bestand per Laserscanning-Verfahren (siehe auch: „3D-Aufmaß für TGA-Anlagen – Mit Laserscannern Anlagen erfassen“, TGA 6-2009, Webcode 247194) erfasst und importiert werden.

Das 3D-Modell wird anschließend in eine endliche Anzahl kleiner Zellen (sogenannte „finite Volumen“) unterteilt und damit ein, die Berechnung vereinfachendes, kartesisches oder unstrukturiertes „Rechengitter“ generiert. Die erforderliche Zellenanzahl und -größe hängt von der Objektgröße und -geometrie ab, umfasst aber in der Regel zwischen 10000 bis einigen Mio. Zellen. Die Rechenzellen-Anzahl entscheidet über die Genauigkeit der Nachbildung der zu untersuchenden Geometrie, wobei schräge Flächen, Wölbungen oder beispielsweise gekrümmte Fassadenflächen eine größere Zellenanzahl erfordern Abb. 7.

Nach der Vernetzung muss ein geeignetes Modell für die relevanten physikalischen Pro­zesse ausgewählt werden, wobei etwa Luftturbulenzen an Grenzschichten durch spezielle Modelle beschrieben 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 Luftgeschwindigkeiten im Raum berechnen. Diese Berechnungen können für einen Augenblick oder einen bestimmten Zeitraum durchgeführt werden. Hat sich nach dem Durchlaufen einer endlichen Zahl sich wiederholender Rechenschritte zur Annäherung an die exakte Lösung (Iterationsschritte) eine stabile Lösung eingestellt, wird diese ausgewertet, analysiert und dokumentiert. Je nach Größe des zu berechnenden Raums, der Feinmaschigkeit des gewählten Rechengitters etc., können die Rechenzeiten von einer Stunde bis zu mehreren Tagen dauern.

CFD-Einsatzbeispiele

Eingesetzt wird die Luftströmungssimulation bei der Planung von Bürogebäuden, Einkaufs­zentren, Tiefgaragen, Flughafenterminals, Rechenzentren, IT-Räumen Abb. 8, Reinräumen, Hörsälen, Museen, Produktionshallen oder Sport­stadien. Die Technik kann ebenso zur Verbesserung der Luftqualität und der Minimierung von Luftverunreinigungen in Laboratorien, Forschungseinrichtungen, Kliniken oder bei kunst-/bau­historisch wertvollen Objekten beitragen Abb. 5. Auch bei der Entwicklung von RLT-Anlagen spielt CFD eine wichtige Rolle. Neben dem Design lässt sich auch die Leistung oder Geräuschentwicklung wichtiger Komponenten, wie Gebläsen, Lüftern, Kompressoren, Kühlkörpern, Wärmeübertragern etc. optimieren.

Will man bei großen Räumen wie Atrien, Hallen oder Stadien Betriebskosten senken und nach Möglichkeit auf eine mechanische Belüftung verzichten, muss zunächst die Wirksamkeit der natürlichen Durchlüftung nachgewiesen werden. Diese ist jedoch durch ein Wechselspiel von Thermik, Winddruck und -sog ein komplexer Vorgang, was die Vorhersage lokal erzielbarer Luftaustauschraten erschwert. Der Transport verbrauchter oder kontaminierter Luft im Gebäude und über die Grenzen der Gebäudehülle hinweg lässt sich über eine Bilanz der Luftmassen- und Energieströme berechnen.

Bei Hochhäusern muss man neben den horizontalen auch vertikale Luftbewegungen über Eingänge, Fassadenöffnungen, Aufzüge, Treppenhäuser etc. im Auge behalten. Temperaturdifferenzen zwischen dem Gebäudeinneren und der Außenluft können an kalten Wintertagen beachtliche Druckdifferenzen mit ausgeprägten Unterdruckzonen im unteren und Überdruckzonen im oberen Gebäudebereich erzeugen. Das sorgt ohne Gegenmaßnahmen für unerwünschte Nebeneffekte: Kaltluft im Eingangsbereich, eine Geruchsübertragung von Tiefgaragen ins Innere, Zugerscheinungen, Strömungsgeräusche und anderes mehr. Strömungssimulationen haben daher zum Ziel, neben der horizontalen auch die vertikale Gebäudedurchströmung durch anlagen- oder/oder bautechnische Maßnahmen gezielt zu begrenzen.

Produkte und Lösungen

Die Bandbreite von CFD-Lösungen reicht von allgemeiner CFD-Software (z.B. CFdesign), speziell für den HKL-Bereich angepassten Programmen (z.B. FloVENT) – bis hin zu modularen Lösungen als Teil eines Gesamtpakets für die interdisziplinäre, dynamische Gebäudesimulation (z.B. 3D Airflow). Die Preise liegen zwischen 10000 Euro für Einstiegslösungen und über 25000 Euro für voll ausgebaute Systeme. Daneben gibt es natürlich auch Mietlösungen. Wichtig bei der Auswahl ist, dass das Programm auch für TGA-Fachplaner geeignet ist, die keine Spezialisten für numerische Strömungsmechanik sind. Unterschätzen sollte man auch nicht den Aufwand für die Einarbeitung. Die Programme im Einzelnen (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 seit über 20 Jahren bewährte 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.
• 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 (HVAC) 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.
• STAR-CCM+ ermöglicht auf der Grundlage von CFD-Simulationen die Entwicklung optimaler 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 grafisch abbilden.
• CFdesign ist ein multifunktional einsetzbares CFD-System, das umfassende Designstudien zur Strömungs- und Wärmeübertragungsszenarien ermöglicht. Neben Räumen können auch Anlagenkomponenten wie Lüfter, Kühlkörper, Wärmetauscher etc. optimiert werden. Der Funktionsumfang des Basissystems ist mit Zusatzmodulen erweiterbar.

Chancen und Grenzen von CFD

Betrachtet man ein Gebäude disziplinübergreifend, ist die numerische Strömungssimulation nur ein Teilbereich einer umfassenden Gebäudesimulation, die auch die Gebäudethermik, die natürliche und künstliche Beleuchtung, das Schallverhalten, bauphysikalische Bauteileigenschaften und die Anlagentechnik berücksichtigt. Die häufig eingesetzte thermische Gebäudesimulation ist ein dynamisches Berechnungsverfahren zur Ermittlung von Lasten und Jahresenergiemengen fürs Heizen und Kühlen bei vorgegebenen Raumparametern und Wetterdaten. Bei den Berechnungen wird der Energiehaushalt der zu untersuchenden Räume oder Bereiche in seiner Gesamtheit bilanziert. Die Lasten zur Auslegung der Anlagentechnik können so exakter als mit statischen Normen bestimmt werden.

CFD bildet immer dann eine wertvolle und notwendige Ergänzung zur dynamischen Gebäude- und Anlagensimulation, wenn kein ­homogenes, ideal durchmischtes Luftvolumen vorliegt und lokale Temperatur- oder Luft­geschwindigkeitswerte für jeden einzelnen Punkt im Raum benötigt werden. Abb. 9 Der Aufwand für eine CFD-Simulation ist abhängig von der Fragestellung und vom geforderten Detaillierungsgrad. In früher Projektphase können mit einfacheren Modellen primär konzeptionelle Fragen beantwortet werden. Mit fortschreitender Planung rücken 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. Damit sind nicht nur wirtschaftliche Grenzen gemeint, die nur einen begrenzten Einsatz an Zeit und Rechenkapazität erlauben. 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 ungenaue Beschreibung der Randbedingungen führen zwangsläufig zu ungenauen, ja sogar zu falschen Ergebnissen. Überprüfen lassen sich die Lösungen, indem sie mit den Resultaten von Normberechnungen oder den Messergebnissen von Modellversuchen (Windkanal, Klimakammer) verglichen werden. Die Ergebnisqualität hängt von mehreren Faktoren ab: von der Aufteilung des Raumes in Zellen, der Definition von Randbedingungen etc. Trotz steigender Rechenleistung setzt noch immer die Komplexität der Modelle und der Rahmenbedingungen Grenzen. Extrem feine Rechengitter führen zwar zu besseren Ergebnissen, steigen den Rechenaufwand jedoch beträchtlich, sodass komplexe Probleme in manchen Fällen selbst auf Hochleistungsrechnern mehrere Wochen dauern können und damit nicht in einer wirtschaftlich vertretbaren Zeit lösbar sind.

CFD ersetzt den Fachmann nicht

Faszinierend an Simulationen ist, dass man im Vorfeld virtuell am Computer „experimentieren“ kann und dies nicht später am fertigen Gebäude oder den Anlagen tun muss. Die bei innovativen Gebäude- und Anlagenkonzepten unvermeidliche heuristische Lösungsmethode „Trial and Error“ wird vom realen ins virtuelle Objekt verlagert, was Fehlinvestitionen und Nachbesserungen vermeiden hilft. Außerdem werden Investitions- und Betriebskosten eingespart, weil Gebäude und Anlagen näher am tatsächlichen Bedarf ausgelegt werden können.

Entscheidend ist – wie bei allen rechner­gestützten Berechnungen auch – die Ergebnisse zu hinterfragen, richtig zu interpretieren und die richtigen Schlüsse zu ziehen. Hier sind Wissen, Erfahrung und Know-how von Fachingenieuren gefordert. Der auch für CFD-Simulationen notwendige Aufwand lässt sich zwar durch zusätzliche Erkenntnisse und mehr Planungssicherheit durchaus rechtfertigen. Letztlich ist es aber nur eines von mehreren Planungshilfsmitteln, die nur im Zusammenspiel aus Berechnung, Modelluntersuchung und Simulation auch anspruchsvolle Probleme lösen können. Marian Behaneck, Dr. Sergej Alexandrow

Quellen, Infos

Fahrig, T.: Computergestützte Optimierung von Raumluftströmungen, VDM Verlag Dr. Müller, 2008

Sulzer, M./Schälin, A./Menti, U.-P.: Gebäude simulieren, tec 21, 48/2005, Verlags-AG der akademischen technischen Vereine

Haupt, W.: Zur Simulation von auftriebsinduzierten Innenraumströmungen, Dissertation an der Universität Gesamthochschule Kassel, ­Fachbereich Architektur, 2001

Seerig. A./Mengiardi J.: Planung nach Maß für energieeffiziente und ­Behagliche Gebäude, Teil 2, HLK 10-2008, Weka-Verlag Österreich

http://www.cfd-online.com, CFD Online-Portal

http://www.baufachinformation.de, Suchwort: „CFD“ etc.

Unter Behaglichkeit werden im HKL-Bereich Raumbedingungen verstanden, bei denen sich Menschen am wohlsten fühlen. Hauptfaktoren sind die Luftgeschwindigkeit und -temperatur, die Luftfeuchte und die Temperatur der Raumumschließungsflächen. Räume gelten als thermisch behaglich, wenn die Differenz zwischen Wandoberfläche und Raumluft weniger als 4 °C, zwischen Fuß- und Kopfhöhe weniger als 3 °C, zwischen verschiedenen Oberflächen weniger als 5 °C beträgt und wenn Luftgeschwindigkeiten und Turbulenzen niedrig sind. Ansonsten wird dies als unangenehme Zugluft empfunden. Relevant sind die Normen DIN EN ISO 7730 (Ergonomie der thermischen Umgebung…) sowie EN 15251 (Eingangsparameter für das Raumklima zur Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden …).

Simulationsmodell-Download: http://berndglueck.de/raummodell.php

Die INNIUS GTD GmbH aus Dresden nutzt Simulationsverfahren seit 1996. Waren es zunächst vor allem Gebäude- und Anlagensimulationen und nur wenige strömungstechnische Berechnungen, kamen später Brand- und Lichtsimulationen, sowie zuletzt die Gebäudeum- und -durchströmung hinzu. Eingesetzt wird CFD bei Flughäfen, Museen, Stadien, Bibliotheken, Hör- und Konferenzsälen, Bahnhöfen, Tunnels, Messehallen etc. Je komplexer das Gebäude und das Nutzungsprofil ist, umso umfangreicher muss simuliert und analysiert werden. Mit der Strömungssimulation werden bei INNIUS vorrangig klimatechnische Fragestellungen im Hinblick auf Behaglichkeit, Geruchsbelastung, Lüftungswirkungsgrad oder Fragestellungen zur Rauchausbreitung im Brandfall untersucht. Die CFD-Berechnungen kommen dabei sowohl als Einzelwerkzeug als auch in Kombination mit anderen Simulationswerkzeugen zum Einsatz. Dabei liefern die anderen Berechnungsmethoden in der Regel die Randbedingungen für die CFD.

Geschäftsführer Dr.-Ing. Peter Vogel zu den Möglichkeiten und Grenzen des CFD-Einsatzes: „Die steigende Leistungsfähigkeit der Rechentechnik hat die Grenzen der Simulation immer weiter zu höherer Leistungsfähigkeit und Genauigkeit verschoben. Dennoch gibt es Grenzen. Dies betrifft z.B. Fragestellungen mit großen Skalenunterschieden, etwa Berechnungen der Auslösefrequenzen an Bauwerken oder die Berechnung längerer Zeiträume (Wochen, Monate) bei großen Modellen. Limitierender Faktor bei der Projektbearbeitung ist in der Regel der Kenntnisstand des Anwenders. Simulationsverfahren liefern genaue und praxisrelevante Ergebnisse, auf deren Basis fundierte Entscheidungen getroffen werden können. In Kombination können die Verfahren sichere Aussagen für Planung, Gestaltung und energieeffizienten Betrieb von Gebäuden und Anlagen liefern. Sie schaffen zudem die Möglichkeit, zu Beginn des Planungsprozesses optimierte ganzheitliche Ansätze zu erarbeiten und diese Qualitäten auch für die Planungs- und Errichtungsphase transparent und nachvollziehbar zu machen. Sie verändern die Struktur im Projektteam, Herangehensweisen im Planungsprozess und führen zu gradlinigeren Abläufen.“ https://innius.de/