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Simulation von Luftströmungen Architekten Planer

Text Datum Benutzer
Simulation von Luftströmungen Architekten Planer
Guten Abend,
wir suchen Informationen zum Thema Simulationen von Luftströmungen.
Vielen Dank zum voraus.
MfG Braun
03 Jan 2005
22:16:34
S. Braun
Simulation von Luftströmungen Architekten Planer
Im Anhang, Referat zu Ihrem Thema. Gruss Kranz



Referent Dr.-Ing. Blazej Ochocinski

GLIEDERUNG 1.0 Einleitung 2.0 Hauptaufgabe und Anwendungsgebiete der Luftstr√∂mungssimulation 3.0 Luftstr√∂mungssimulation - eine Sache der Fachkompetenz und des gegenseitigen Vertrauens 4.0 Notwendige Voraussetzungen, um das ‚Äěvirtuell" Reale mit dem ‚Äěwahrhaft" Realen in Einklang zu bringen 5.0 Ein paar Ratschl√§ge zur Bewertung von Erfolgsaussichten einer Luftstr√∂mungssimulation 6.0 Luftstr√∂mungssimulation im Licht des wissenschaftlich-technischen Fortschritts unserer Zeit 7.0 Schlu√üfolgerung 8.0 Literatur



1.0 EINLEITUNG Ein zuverl√§ssiger Bestandteil einer behaglichkeitsoptimierten Gesamtplanung moderner Geb√§ude-Anlage-Systeme oder eine rechnergest√ľtzte str√∂mungsmechanische Illusion ?

Zur quantitativen Beurteilung alternativer Entwurfsvarianten eines aus Geb√§ude und TGA-Anlage bestehenden architektonischen und geb√§udetechnischen Gesamtsystems werden seit mehreren Jahren mehr oder weniger komplexe Simulationsmodelle eingesetzt. Ein herausragendes, in mehreren praktischen Einsatzf√§llen mit Erfolg erprobtes Beispiel hierf√ľr stellt das bereits mehrfach √∂ffentlich vorgestellte, universell erg√§nzbare ROM-Geb√§ude-Anlage-Modell dar [1]. Neben einem CAD-System f√ľr den Geb√§ude- und Anlagenentwurf, der energetischen, der tageslichttechnischen und der Anlagensimulation sowie dem neulich entwickelten w√§rmetechnischen Raummodell [2] bildet die numerische Str√∂mungssimulation [3] einen sehr wichtigen und unerl√§√ülichen Einzelbaustein des weitgehend integrierten, rechnergest√ľtzten Planungsinstruments. Wie steht es aber mit der Zuverl√§ssigkeit der numerischen Simulation von Luftstr√∂mungen aus praktischer Sicht ? 2.0 Hauptaufgabe und Anwendungsgebiete der Luftstr√∂mungssimulation

Die praktische Hauptaufgabe der numerischen Luftstr√∂mungssimulation besteht traditionell darin, f√ľr alternative Geb√§ude- und Anlagenentwurfsvarianten numerisch simulierte

Luftgeschwindigkeitsverteilungen Lufttemperaturverteilungen Luftdr√ľcke an den Au√üenfassaden und im Geb√§ude Verteilung der infiltrierten Luftvolumenstr√∂me im Geb√§ude sowie Schadstoffkonzentrationen

m√∂glichst zuverl√§ssig und realit√§tsnah zu berechnen und allen am Bau Beteiligten als Basis f√ľr die Behaglichkeitsoptimierung eines konkreten Geb√§ude-Anlage-Systems zur Verf√ľgung zu stellen. Diese Informationen k√∂nnen durch folgende Arten von Luftstr√∂mungssimulationen gewonnen werden:

numerische Untersuchung der Luftumströmung von Gebäuden (numerische Gebäudeaerodyna-mik) Berechnung der globalen Luftdurchströmung von Gebäuden (globales Zonenverfahren) numerische Untersuchung von Raumluftströmungen (detaillierte Raumströmungssimulation) kombinierte Untersuchung der Luftum- und Luftdurchströmung von Gebäuden

Einige typische Anwendungsbeispiele sind in Abb. 1 bis 10 dargestellt. Je nach Anwendungsfall werden entweder stationäre (zeitunabhängige) oder instationäre (dynamische) Luftströmungsvorgänge simuliert.

In jedem Anwendungsfall m√ľssen alle f√ľr die jeweilige Luftstr√∂mungssimulation notwendigen Eingabedaten und Randbedingungen sorgf√§ltig ermittelt und √ľberpr√ľft werden. Unentbehrliche Grunlagen hierf√ľr bilden in der Regel Architektenzeichnungen, Geb√§udepl√§ne und Geb√§udeansichten, technische Detailzeichnungen, Aufbau von Geb√§udefassaden, Angaben zu klimatischen Au√üenbedingungen (Au√üenlufttemperaturen, Windgeschwindigkeiten und Windrichtungen), Pl√§ne und Betriebsparameter geplanter HLK-Anlagen, Verteilung aller relevanten W√§rmequellen und -senken (Personen, Beleuchtung, Rechner, B√ľromaschinen u.√§.), Angaben zu √∂ffenbaren Fenstern, T√ľren oder Dachklappen sowie prognostizierte Wandoberfl√§chentemperaturen und r√§umlich gemittelte Raumlufttemperaturen in den simulierten Bereichen. Die letzteren zwei Angaben k√∂nnen zuverl√§ssig mit Hilfe der energetischen Geb√§udesimulation ermittelt werden.

In besonders komplizierten Anwendungsf√§llen m√ľssen Luftstr√∂mungssimulationen in sukzessiv aufeinander aufbauenden Schritten durchgef√ľhrt werden. Z.B. wird ausgehend von einer globalen Str√∂mungsanalyse eines ganzen st√§dtebaulichen Ensembles (Schritt 1, Abb. 1) eine detaillierte Um- und Durchstr√∂mungsanalyse der darin befindlichen interessierenden Geb√§ude (Schritt 2, Abb. 2) durchgef√ľhrt, die wiederum die notwendige Grundlage einer detaillierten Raumstr√∂mungssimulation f√ľr einen oder mehrere charakteristische Teilbereiche, wie die offenen Innenh√∂fe oder das teilweise mit Glas √ľberdachte Atrium (Schritt 3, Abb. 3), bildet. Jede vorhergehende Str√∂mungssimulation liefert einen Teil von vorn herein nicht bestimmbarer str√∂mungsmechanischer Randbedingungen f√ľr den n√§chsten Schritt. Lassen sich die f√ľr eine Luftstr√∂mungssimulation entscheidenden Randbedingungen auf diese Weise rechnerisch nicht ermitteln, m√ľssen sie im Falle einer Geb√§udeumstr√∂mungsberechnung (Abb. 4 und Abb. 5) aus Windkanaluntersuchungen oder bei einer Raumstr√∂mungssimulation (Abb. 8 und Abb. 9) aus 1:1-Versuchen mit HLK-Originalkomponenten in einem Klimalabor abgeleitet werden.


Abb. 1: Globale Simulation der Luftströmung im Bereich eines städtebaulichen Ensambles (Schritt 1)

Abb. 2: Simulation der Durchströmung eines Gebäudekomplexes aus dem mittleren Bereich des städtebauli-chen Ensembles in Abb. 1 (Schritt 2)


Abb. 3: Simulation der Raumstr√∂mung in einem mit Glas teilweise √ľberdachten Atrium im Geb√§udekomplex in Abb.2 (Schritt 3)

(a) Luftgeschwindigkeiten im Aufenthaltsbereich


Abb. 3: (b) Hauptströmungsrichtungen und Luftgeschwindigkeiten


Abb. 4 Simulationsmodell eines Hochhausensembles

Abb. 5: Simulation der Luftstr√∂mung im Bereich des Hochhausensembles in Abb. 4 f√ľr einen kritischemit Hilfe eines Windkanalversuchs semiempirisch ermitteleten str√∂mungsmechanischen Randbedingungen f√ľr einen Wintertag


n Som-mertag ohne Wind

(a) Auftriebsstr√∂mungen an warmen Glasfassaden und √ľber einem Kamin am Turmfu√ü (rot)


Abb. 5: (b) Ausbreitungsgebiet der Rauchgase (blau)


Abb. 6: Beispiel eines modernen verglasten Atriums - Komplexes strömungsmechanisches Berechnungsgitter

Abb. 7: Simulation der Raumstr√∂mung im Atrium in Abb. 6 f√ľr einen kritischen Wintertag ohne Beheizung der Glaspyramide

(a) Ausgeglichene Raumlufttemperaturverteilung


Abb. 7: (b) Zugerscheinungen im Aufenthaltsbereich


Abb. 7: (c) Reichweite der Fallströmungen aus der Glaspyramide



Abb. 8: Simulation der Raumstr√∂mung im Atrium in Abb. 6 f√ľr einen kritischen Wintertag mit Beheizung der Glaspyramide

(a) Geschichtete Raumlufttemperaturverteilung



Abb. 8: (b) Keine Zugerscheinungen im Aufenthaltsbereich





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Abb. 8: (c) Keine Fallströmungen aus der Glaspyramide






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Abb. 9: Prinzip der Berechnung der globalen Gebäudedurchströmung nach einem Zonenverfahren [11]


Abb. 10: Globale Durchstr√∂mungsrichtungen eines B√ľrobereiches im 45.OG des Rundturmes in Abb. 4 im Winter ohne Windwirkung


3.0 Luftströmungssimulation - eine Sache der Fachkompetenz und des gegenseitigen Vertrauens

Trotz langj√§hriger intensiver wissenschaftlicher Entwicklungsarbeiten auf diesem Gebiet, des immer breiter werdenden praktischen Anwendungsspektrums sowie der unbestritten wachsender Popularit√§t (vgl. z.B. [4] bis [10]) gilt die numerische Simulation von Luftstr√∂mungen unter vielen Architekten, TGA-Planern und -Ingenieuren heute immer noch als ziemlich unglaubw√ľrdig hinsichtlich der physikalischen Plausibilit√§t mit diesem Planungsinstrument gewonnener Ergebnisse. Negativberichte √ľber die Erfah-rungen der Praktiker mit der Str√∂mungssimulation sind leider keine Seltenheit - die z.T. teuer erkauften Einblicke in das ‚Äěvirtuell reale" Verhalten der interessierenden Luftstr√∂mungen haben oft keinen Bezug zur ‚Äěwahren" Wirklichkeit !

Zum einen liegt es mit Sicherheit daran, da√ü die Luftstr√∂mungssimulation im Vergleich mit den seit Jahrzehnten anerkannten experimentellen Untersuchungsmethoden (z.B. in einem Windkanal oder Klimalabor) ein relativ junges und hinsichtlich der Ergebnisinterpretation ein sehr gew√∂hnungsbed√ľrftiges Planungsinstrument darstellt. Dies als die alleinige Ursache des oben geschilderten Sachverhalts hier so stehenzulassen w√§re aber nicht ganz korrekt und vor allem den mit Recht gutgl√§ubigen potentiellen Auftraggebern und Endnutzern str√∂mungsmechanischer Simulationsergebnisse gegen√ľber √§u√üerst ungerecht.

Eine Str√∂mungssimulation wird in der Regel mit Hilfe sehr komplizierter, allgemeing√ľltiger mathematisch-numerischer Modelle der Thermofluiddynamik durchgef√ľhrt, deren korrekte Anwendung eine hochqualifizierte Spezialisierung sowie langj√§hrige Erfahrung auf diesem Gebiet erfordert. Selbstverst√§ndlich k√∂nnen sowohl die korrekte Softwarewahl und -handhabung als auch die erforderliche mathematisch-numerische Modellierung des vorliegenden lufttechnischen Systems nur von wenigsten Architekten, TGA-Planern oder -Ingenieuren auf ihre Richtigkeit gepr√ľft werden. Deswegen ist es eine beinahe berufsethische Pflicht jedes Str√∂mungssimulationsspezialisten, seinen Auftraggeber √ľber die jeweiligen Modellannahmen, Randbedingungen und Verifizierungsm√∂glichkeiten objektiv und sachlich aufzukl√§ren, und zwar sowohl im positiven als auch im negativen Sinne !

Au√üerdem ist es √§u√üerst wichtig, da√ü die Luftstr√∂mungssimulation nicht nur allein als ‚ÄěKunst f√ľr sich", sondern in einem strengen Verbund mit anderen, √ľber fachlich bezogene Schnittstellen gekoppelten theoretischen und experimentellen Untersuchungsmethoden - idealerweise in einem Haus - angeboten, durchgef√ľhrt und in gemeinsamen Zwischenbesprechungen von erfahrenen Praktikern seitens des Auftraggebers und des Auftragnehmers verifiziert wird. Die zu untersuchenden Varianten sollen hierbei von allen Beteiligten gemeinsam mitgestaltet werden. Wenn diese fachlich-organisatorischen Voraussetzungen fehlen, ist auch die Qualit√§t und Zuverl√§ssigkeit der Simula-tionsergebnisse zumindest fraglich.

Die numerische Luftströmungssimulation stellt somit nicht nur ein äußerlich attraktives und zur breiten Anwendung verlockendes Planungsinstrument dar. Sie ist auch eine sehr ernst zu nehmende Vertrau-enssache zwischen den Architekten, TGA-Spezialisten und Strömungssimulationsanbietern. Je öfter dieses Vertrauen seitens der Strömungssimulationsanbieter unter dem kommerziellen Konkurrenz-druck mit Hilfe pseudofachlich klingenger Scheinargumente und - unabhängig von der Korrektheit der Ergebnisse - immer attraktiv aussehender Computergraphiken gebrochen wird, umso länger wird es dauern, die Luftströmungssimulation als ein den experimentellen Methoden gleichwertiges, zuverlässiges Planungsinstrument in der breit verstandenen Gebäudetechnik zu etablieren.



4.0 Notwendige Vorraussetzungen, um das "virtuell" Reale mit dem "wahrhaft" Realen in Einklang zu bringen

Die im Hause ROM heutzutage bereits routinem√§√üig durchgef√ľhrten numerischen Untersuchungen von Luftstr√∂mungen und str√∂mungsmechanisch induzierten Behaglichkeitsbedingungen bauen auf Ergebnissen langj√§hriger industriell-wissenschaftlicher Forschungs- und Entwicklungsarbeiten, kontinuierlicher intensiver Zusammenarbeit zwischen Str√∂mungs- und L√ľftungsingenieuren sowie auf st√§ndiger Erweiterung des praktischen Anwendungsspektrums auf. Der bisher hierbei erzielte Erfolg (√ľber einhundert im Laufe der vergangenen 6 Jahre abgeschlossene industrielle Studien und Forschungs-aufgaben !) w√§re ohne konsequent praktizierte Umsetzung der Forschungsergebnisse in die Entwurfspraxis sowie ohne die oben erw√§hnte fachbezogene Einbindung der numerischen Str√∂mungssimulation in das intergrierte ROM-Geb√§ude-Anlage-Modell nicht denkbar gewesen.

Die Vielfalt der Luftstr√∂mungssimulationsaufgaben erfordert den Einsatz eines sehr leistungsf√§higen und m√∂glichst allgemeing√ľltigen Str√∂mungssimulationssoftwarepakets, mit dessen Hilfe sowohl die in der Regel vorliegende geometrische Kompliziertheit realer Geb√§ude als auch die enorme Vielfalt der zu erwartenden Luftstr√∂mungsformen (z.B. freie, erzwungene oder gemischte Konvektion, Luftstr√∂mung mit oder ohne Schadstoffbelastung, Raumstr√∂mung oder Au√üenumstr√∂mung von Geb√§uden, isotherme oder nichtisotherme Luftstr√∂mungen usw.) dreidimensional erfa√üt und flexibel modelliert werden k√∂nnen (Abb. 6). F√ľr eine gelungene Luftstr√∂mungssimulation sind entsprechend leistungsf√§hige Rechner genauso wichtig wie eine wissenschaftlich fundierte und experimentell validierte Str√∂mungssoftware. Um die potentielle Leistungsf√§higkeit der modernen numerischen Str√∂mungssimulationsverfahren hinsichtlich der mathematisch-numerischen Modellierung, dreidimensionalen Diskretisierung realer Luftstr√∂mungsfelder und der Berechnungsgenauigkeit bei solchen Problemstellungen wie gro√üe Atrien, Leses√§le, Veranstaltungs- und Industriehallen oder Geb√§udeumstr√∂mungsanalysen, aus praktischer Sicht zufriedenstellend ausnutzen bzw. gew√§hrleisten zu k√∂nnen, ist zumindest der Einsatz leistungsf√§higer Workstations mit einer Hauptspeicherkapazit√§t ab 640 Mbyte aufw√§rts erforderlich. Mittelgro√üe Simulationen, z.B. f√ľr B√ľror√§ume, mittelgro√üe Atrien und Hallen, Spezialr√§ume wie Luftschleusen oder Reinr√§ume, mittelgro√üe Produktionsr√§ume u.√§., lassen sich mit einem gerade noch vertretbaren Zeitaufwand auf Workstations mit ca. 200 bis 640 Mbyte durchf√ľhren. Sehr gro√üe Aufgaben, wie z.B. Umstr√∂mungsanalysen von ganzen Stadtgebieten oder Raumstr√∂mungssimulationen f√ľr extrem gro√üe R√§ume, wie z.B. √ľberdachte Sportstadien oder Bahnhofshallen, w√ľrden den Einsatz von Multiprozessor-Workstations bzw. Gro√ürechnern erfordern.

Es ist nicht die Absicht des Verfassers - insbesondere angesichts der rasanten Entwicklungen im Bereich der Rechnertechnik - absolut steife Limits f√ľr die Voraussetzungen der Durchf√ľhrbarkeit einer sinnvollen Luftstr√∂mungssimulation zu definieren. Die zuvor genannten Mbyte-Zahlen sind aus der bisherigen Erfahrung des Verfassers abgeleitet worden und lediglich als Orientierungshilfe gedacht. Nach dem heutigen Entwicklungsstand steht aber zumindest fest, da√ü die in der j√ľngsten Vergangenheit (Ende der 80er / Anfang der 90er Jahre) vor allem aufgrund beschr√§nkter Leistungen von Soft- und Hardware oft verwendeten groben Vereinfachungen realer Luftstr√∂mungsfelder, wie z.B. Approximation krummliniger Geometrien durch orthogonalisierte, stufenartig gestaltete Raum- oder Geb√§udekonturen, Reduzierung dreidimensionaler Probleme zu zweidimensionalen Berechnungen f√ľr ausgew√§hlte Schnittebenen oder die Vernachl√§ssigung des thermischen Auftriebs in ‚Äěscheinbar quasi isothermen" F√§llen, bis auf wenige Ausnahmen keine Berechtigung mehr haben und unter Umst√§nden - trotz formal erf√ľllter Konvergenz zu einer numerisch √§u√üerst genauen L√∂sung - zu physikalisch vollkommen falschen Ergebnissen f√ľhren k√∂nnen. Letzteres konnte im Rahmen von Forschungsprojekten wie [4] oder [5] sowie in vielen praktischen Anwendungsf√§llen nachgewiesen werden. Trotzdem werden in unserer Zeit viele Auftraggeber aus der Praxis immer noch von manchen Str√∂mungssimulationsanbietern mit solch groben Luftstr√∂mungsmodellen ‚Äěversorgt" und von den hierbei erbrachten ‚ÄěLeistungen" der Str√∂mungssimulation bitter entt√§uscht.

5.0 Ein paar Ratschläge zur Bewertung von Erfolgsaussichten einer Luftströmungssimulation

Es ist ideal, wenn die oben aufgef√ľhrten Voraussetzungen dem potentiellen Auftraggeber vor Ort, d.h. an der Stelle, an der die auf der Luftstr√∂mungssimulation aufbauenden technischen Beratungsleistungen erbracht werden sollen, nachgewiesen werden k√∂nnen. Aber nicht nur die vorhandene Soft- und Hardware sollen von dem Interessenten in Augenschein genommen werden. Auch die hohe Qualifizierung der am Projekt beteiligten Mitarbeiter, m√∂glichst kurze Kommunikationswege zwischen den einzelnen Spezialisten sowie deren gesunde Bodenst√§ndigkeit und kritisches Urteilsverm√∂gen in eigener Sache garantieren in der Regel ein gutes Ergebnis der bevorstehenden Zusammenarbeit. Nichts kann dies √ľberzeugender untermauern als eine solide, ausf√ľhrliche Referenzliste erfolgreich ausgef√ľhrter Bauvorhaben, in deren erfolgreiche Planung die anbietende Simulationsstelle involviert wurde !

Es stehen heutzutage fast jedem potentiellen kommerziellen Str√∂mungssimulationsanbieter, der sich aus wirtschaftlichen Gr√ľnden keine hochwertige Rechenanlage leisten kann, durchaus bezahlbare Zugangsm√∂glichkeiten zu Hochleistungsrechenzentren zur Verf√ľgung, die z.B. √ľber das Internet oder direkt √ľber √∂ffentliche W√§hlnetze vom eigenen Schreibtisch aus erreicht werden k√∂nnen. Die Nutzung solcher M√∂glichkeiten zur laufenden Steigerung der Qualit√§t angebotener Luftstr√∂mungssimulationsberechnungen ist nicht trivial und erfordert sowohl sehr gute Kenntnisse im Bereich der Str√∂mungssimulation als auch die F√§higkeit, die Fremdrechnerkapazit√§ten unter kommerziellen Zw√§ngen wirtschaftlich effizient nutzen zu k√∂nnen. Das Bem√ľhen in diese Richtung kann mit Sicherheit helfen, sowohl die Vertrauensbasis zwischen dem Simulationsspezialisten und dem Endnutzer als auch die Zuverl√§ssigkeit der Simulationsergebnisse zu st√§rken und das gesamte Simulationsprojekt auf ein fachlich ad√§quates Niveau zu verlagern.

In diesem Zusammenhang bewirken leider diverse kramphafte Versuche, Luftstr√∂mungssimulationen f√ľr gr√∂√üere Geb√§ude oder R√§ume, die in den meisten realen Anwendungsf√§llen von Interesse sind, auf sogenannten ‚Äěhandels√ľblichen" PC‚Äôs durchzuf√ľhren, gerade das Gegenteil dessen, was die Auftraggeber von einer Luftstr√∂mungssimulation erwarten - das Planungsinstrument Luftstr√∂mungssimulation wird zum Erzeuger rechnergest√ľtzter Illusionen degradiert, die Meinung vieler Skeptiker glanzvoll best√§tigt !

Es gibt aber auch F√§lle, in denen durchaus brauchbare Luftstr√∂mungsberechnungen auf Personalcomputern durchf√ľhrbar sind. Ein klassisches Beispiel hierf√ľr stellen z.B. die Berechnungen der globalen Luftdurchstr√∂mung von Geb√§uden nach sog. Zonenverfahren (vgl. z.B. [11] sowie Abb. 9 und Abb.10). Auch dreidimensionale Simulationen von Luftstr√∂mungen k√∂nnen - zur Zeit bei strenger Einschr√§nkung auf kleinere Berechnungsmodelle und einfache Anwendungsf√§lle - seit dem Erscheinen der neuesten Pentium-Prozessorgenerationen auf einem PC mit einem entsprechend hoch aufger√ľsteten Hauptspeicher und mit einem stabil laufenden Betriebssystem (wie z.B. Linux) qualifiziert durchgef√ľhrt werden.

Und zum Schlu√ü noch ein wichtiger Qualit√§tsindikator, der unbedingt beachtet werden mu√ü: der f√ľr eine Luftstr√∂mungssimulation angebotene Preis. Mu√ü immer das Billigste das G√ľnstigste sein ? Denken Sie im Hinblick auf das bisher Gesagte einen kurzen Moment dar√ľber nach ...


6.0 Luftströmungssimulation im Licht des wissenschaftlich-technischen Fortschritts unserer Zeit

Trotz aller Skepsis wird uns die numerische Simulation von Luftstr√∂mungen als ein in permanenter Entwicklung befindlicher Teilproze√ü der Integralen Planung von Geb√§uden und deren technischer Ausr√ľstung in absehbarer Zukunft mit Sicherheit erhalten bleiben. Sie wird dabei zu keinem Instrument der Computergraphik degradiert werden wollen. Im Gegenteil - die Luftstr√∂mungssimulation ist und bleibt ein Teil von angewandten Naturwissenschaften, die unbestritten ein hohes gesellschaftliches Ansehen genie√üen und gerade durch die moderne Rechnertechnik eine enorme Entwicklungsschubkraft erfahren. Routineberechnungen von heute lagen doch noch vor 3 bis 5 Jahren im Bereich unerf√ľllbarer Tr√§ume der meisten in der Praxis t√§tigen Simulationsspezialisten !

Selbstverst√§ndlich will nicht verschwiegen werden, da√ü die numerischen Str√∂mungssimulationsprogramme immer noch unter diversen, zumeist algorithmisch bedingten Unzul√§nglichkeiten zu leiden haben. Tausende von Hochschulwissenschaftlern und Hunderte von kommerziellen Softwareentwicklern auf der ganzen Welt arbeiten zur Zeit sehr intensiv daran, die Berechnungsalgorithmen inhaltlich weiterzuentwickeln, numerisch sicherer zu machen und benutzerfreundlicher zu gestalten. Die allerwichtigsten Berechnungsgrundlagen der Luftstr√∂mungssimulation: die altbew√§hrten fundamentalen Erhaltungss√§tze der Str√∂mungsmechanik und Thermodynamik sind in den meisten g√§ngigen Str√∂mungssimulationsprogrammen bereits einwandfrei implementiert. Die aktuellen Entwicklungsarbeiten konzentrieren sich eher auf mathematisch-numerischen Teilmodellen, z.B. f√ľr Turbulenz, Stoff- und Phasentransport sowie Phasenwechsel in Fluidgemischen, Verbrennungsprozesse oder chemische Reaktionen.

Die Luftstr√∂mungssimulation ist heutzutage bereits in der Lage, nach Erf√ľllung aller in den vorhergehenden Abschnitten geschilderten Voraussetzungen qualitativ korrekte und f√ľr die Praxis quantitativ ausreichend genaue Vorhersagen des globalen Luftstr√∂mungsverhaltens innerhalb und au√üerhalb von Geb√§uden zu liefern. Nat√ľrlich k√∂nnen hierbei aufgrund des sehr gro√üen Rechenaufwands immer noch lediglich einzelne kritische Lastf√§lle oder relativ kurze dynamische Vorg√§nge simuliert werden. Auch die Berechnung str√∂mungsmechanischer Lokaleffekte im Bereich der Anlagendetails simultan mit der Berechnung der globalen Luftstr√∂mung liegt - abgesehen von einigen Modellrechnungen f√ľr sehr einfache F√§lle - au√üerhalb des technisch und wirtschaftlich Machbaren.

So ist es z.B. sinnvoll, die Wirksamkeit konkreter HLK-Fabrikate, wie z.B. Luftausl√§sse, Ventilatoren, Heiz- oder K√ľhlfl√§chen, in einem Klimalabor im Ma√üstab 1:1 untersuchen und die dort gewonnenen Me√üergebnisse, wie z.B. Zuluftgeschwindigkeitsprofile, in die Raumstr√∂mungssimulation als empirische Randbedingungen einflie√üen zu lassen. Dagegen ist f√ľr eine Untersuchung von Str√∂mungsdetails in einem Gro√üraum eine Raumstr√∂mungssimulation im Ma√üstab 1:1 sicherlich genauer als eine durch St√∂rungswirkung von Me√üsonden beeintr√§chtigte und von Ma√üstabseffekten behaftete Messung in einem kleinen Modell im Ma√üstab 1:20 oder 1:30.


7.0 Schlußfolgerung

Ja, es ist wahr, liebe Leserinnen und Leser: noch lange wird sich die numerische Simulation von Luftstr√∂mungen teilweise auf Laborexperimenten sowie in gro√üem Ma√üe auf der Erfahrung und der unersetzlichen Kraft des analytischen und kreativen Denkens vieler an der Integralen Planung von Geb√§uden beteiligten Menschen st√ľtzen m√ľssen und wollen. Und es ist auch gut so - sowohl im Sinne der Wahrung des fachlichen Fortschritts in unseren Gewerken als auch zur St√§rkung unseres gegenseitigen interdisziplin√§ren Vertrauens. Es w√ľrde mich sehr freuen, wenn auch Sie sich sobald wie m√∂glich an dieser vielversprechenden Entwicklung aktiv beteiligen.

8.0 Literatur

[1] Gl√ľck, B.: Komplexe Simulation - Voraussetzung zur Energieoptimierung. HLH-Heizung-L√ľftung/ Klima-Haustechnik, Bd. 46 (1995), Nr. 3 - M√§rz, S.143-148.

[2] Gl√ľck, B.: W√§rmetechnisches Raummodell. C. F. M√ľller-Verlag, 1997.

[3] Ochocinski, B.: Numerical Simulation of Air Flows - an Essential Tool of Comfort Optimization of Modern Buildings and HVAC Systems. Building Simulation’97, Fifth International IBPSA Conference, September 8-10, 1997, Prague, Czech Republic, Proceedings Volume I, pp. 225-232.

[4] Ochocinski, B.: Entwicklung von raumlufttechnischen Konzepten auf Basis der Solarenergienutzung in Gebäuden bei Einsatz durchströmter Elemente der transparenten Wärmedämmung und Formulie-rung von industriell einsetzbaren Entwurfsmethoden. Teilbereich B: Simulation von Raumluftströmun-gen. Abschlußbericht zum BMFT/BEO-Forschungsverbundvorhaben Nr. 032016 A, RUD. OTTO MEYER, Hamburg, Oktober 1993.

[5] Ochocinski, B.: Energieökonomische Optimierung von Raumluftströmungen. Abschlußbericht zum BMFT/BEO-Forschungsverbundvorhaben Nr. 032016 D, RUD. OTTO MEYER, Hamburg, März 1994.

[6] Ochocinski, B.: Rechnerische Raumstr√∂mungssimulation. Konferenzband zum Seminar: Raumluft-str√∂mung - Gestaltung und Optimierung, FH M√ľnchen, 4. Februar 1993.

[7] Gl√ľck, B. und Ochocinski, B.: Strahlplattenleistung unter realen Einsatzbedingungen. Simulation der Luftstr√∂mung um Strahlplatten in Pr√ľfr√§umen und Hallen. HLH Heizung-L√ľftung/Klima-Haustechnik, Bd. 44 (1993), Nr. 3 - M√§rz, S. 158-165.

[8] Ochocinski, B.: Simulation von Raumluftstr√∂mungen in der Technischen Geb√§udeausr√ľstung (Projektvorstellung). FIA News, Forschungs-Informationsaustausch, Fachinstitut Geb√§ude-Klima e.V., 9. Ausgabe, August 1995, S. 3-6.

[9] Ochocinski, B.: Using CFX to model HVAC systems. CFX Update, CFX news from AEA Technolo-gy, No 11, Spring 1996, p. 7.

[10] Jones I. P.: Highlights of the Third CFX International User Conference. CFX news from AEA Technology, No 13, Spring 1997, pp. 8-9.

[11] Feustel, H. u.a.: Fundamentals of the Multizone Air Flow Model - COMIS. International Energy Agency, Energy Conservation in Buildings and Community Systems Programme, published by Annex V: The Air Infiltration and Ventilation Centre in May 1992.

http://www.fbta.uni-karlsruhe.de/lehre/simbau/luft/luft.htm#Einleitung

03 Jan 2005
22:17:40
J. Kranz

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