planung:energieeffizienz_ist_berechenbar:dynamische_simulation
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planung:energieeffizienz_ist_berechenbar:dynamische_simulation [2010/05/17 11:06] – edit | planung:energieeffizienz_ist_berechenbar:dynamische_simulation [2022/01/20 13:39] (aktuell) – [Literatur] yaling.hsiao@passiv.de | ||
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+ | ====== Dynamische Simulation ====== | ||
+ | ===== Methodische Grundlagen ===== | ||
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+ | Für die Simulation des wärmetechnischen Verhaltens wurde das instationäre Simulationsprogramm DYNBIL entwickelt. | ||
+ | * Das Programm wurde in [[Planung: | ||
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+ | * Das Programm wurde dazu mit geschlossenen Lösungen bei einfachen Modellen kalibriert. | ||
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+ | * Weiter wurden im Vergleich zwischen den Programmen DEROB, JULOTTA und DYNBIL für alle beteiligten Wärmetransportmechanismen Sensitivitätstests bzgl. der Modellbildung durchgeführt. | ||
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+ | Eine kurze Charakterisierung der besonderen Detailgenauigkeit des DYNBIL-Modells ist im folgenden Einschub enthalten.\\ | ||
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+ | ==== Einschub: Charakterisierung des Programms DYNBIL ==== | ||
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+ | * **Wärmeleitung und Wärmespeicherung** | ||
+ | * Instationäre Wärmeströme (Mehrkapazitäten-Netzwerkmodell) | ||
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+ | * **Konvektiver Wärmeübergang** | ||
+ | * Temperaturabhängigkeit des konvektiven Wärmeübergangs an Oberflächen im Raum | ||
+ | * Temperaturabhängigkeit des konvektiven Wärmeübergangs im ebenen Spalt (z.B. in Scheibenzwischenräumen) | ||
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+ | * **Langwelliger Strahlungsaustausch** | ||
+ | * Approximation des Strahlungswärmeaustausches im Raum durch das Zweisternmodell ("2* Modell" | ||
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+ | * **Kurzwellige Strahlung** | ||
+ | * Einfluss des Einfallswinkels für den Strahlungsdurchgang am Fenster | ||
+ | * Verschattung der kurzwelligen Strahlung getrennt nach direkter und diffuser Strahlung; berücksichtigt auch im langwelligen Strahlungsmodell | ||
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+ | * **Lüftungswärmeverluste** | ||
+ | * DYNVENT : Mehrzonenmodell für die Druckverteilung und Luftdurchströmung von Gebäuden (vgl. **__Abb. 1__**)\\ | ||
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+ | * **Wärmeübergang an Außenoberflächen** | ||
+ | * Konvektiver Wärmeübergang, | ||
+ | * Langwelliger Strahlungsaustausch an Außenoberflächen mit der Umgebung und Abstrahlung in den Himmel | ||
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+ | * **Interne Wärmequellen** | ||
+ | * Berücksichtigung unterschiedliche Wärmetransportmechanismen, | ||
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+ | * **Der Einfluss der Wärmeabgabe** | ||
+ | * Bewertung des Raumklimas mit Hilfe von operativen Temperaturen\\ | ||
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+ | |//**__Abb. 1:__ Schnitt durch das Passivhaus Darmstadt Kranichstein\\ mit den gekennzeichneten Zonen.**// | ||
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+ | ==== Die Klimadatensätze ==== | ||
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+ | Als Klimadatensätze werden Stundendaten der relevanten Parameter benötigt, die z.B. auf den Testreferenzjahren beruhen können. Verfügbar sind derzeit alle deutschen Testreferenzdaten, | ||
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+ | Das Programm DYNBIL wurde später einem ausführlichen Vergleichstest mit gemessenen Temperaturverläufen und Wärmeströmen im Passivhaus Darmstadt-Kranichstein unterworfen [[Planung: | ||
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+ | ==== Vier Eigenschaften des DYNBIL-Modells ==== | ||
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+ | Von besonderer Bedeutung gerade für die Aussagen zum sommerlichen Verhalten sind vier Eigenschaften des DYNBIL-Modells, | ||
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+ | **1. DYNBIL bestimmt die vom Einfallswinkel abhängige Transmission und Strahlungsabsorption zu jedem Zeitpunkt in Abhängigkeit vom Sonnenstand und getrennt für die diffuse Strahlung** (vgl. **__Abb. 2__**).Für die Untersuchung des sommerlichen Innenklimas ist dies bedeutend, weil z.B. eine vertikale Südverglasung im Sommer einen signifikant niedrigeren Energiedurchlassgrad hat als im Winter (wegen des sehr flachen Einfalls der Solarstrahlung).\\ | ||
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+ | **2. In DYNBIL werden sowohl die Wärmeübergangskoeffizienten der Innenoberflächen als auch die Konvektion im Scheibenzwischenraum von Verglasungen in nichtlinearer Abhängigkeit von den Randbedingungen (u.a. Tempe-\\ raturen) berechnet.** Z.B. ist der Wärmedurchgang durch eine Verglasung bei vorliegender hoher Strahlungsabsorption in der Scheibe signifikant erhöht (wegen der dann hohen Scheibentemperaturen). Dieser Effekt kann bedeutenden Einfluss bekommen: Unter Einstrahlbedingungen kann der effektive Wärmedurchgangskoeffizient einer Dreischeibenwärmeschutzverglasung z.B. auf über 1 W/(m²K) anwachsen, während er unter strahlungsarmen Randbedingungen 0.7 W/(m²K) beträgt [[Planung: | ||
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+ | **3. Der langwellige Strahlungsaustausch an den Außenoberflächen der Bauteile führt zu dem entscheidenden Wärmeverluststrom an die Umgebung**; gerade im Sommer ist die Wärmeabstrahlung in den Himmel für die Oberflächenbilanz entscheidend; | ||
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+ | **4. Ein korrektes Strahlungsmodell im Raum hat ebenfalls einen hohen Einfluss.** Gerade für die Bestimmung der sommerlichen Behaglichkeit ist eine Trennung zwischen konvektiven und radiativen Wärmetransportmechanismen, | ||
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+ | ==== Das Netzwerkmodell ==== | ||
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+ | In **__Abb. 3__** ist ein Netzwerkmodell der DYNBIL-Simulation am Beispiel einer Zone dargestellt. | ||
+ | * Die Absorption der durch Fenster transmittierten kurzwelligen Einstrahlung findet an den Innenoberflächen statt; | ||
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+ | * die einzelnen Zonen sind über ein ebenfalls instationär arbeitendes Strömungsmodell verknüpft. | ||
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+ | * Alle dargestellten Wärmeübergangskoeffizienten h (früher α) und Wärmeübertragungskoeffizienten Λ sind im Modell temperaturabhängig. | ||
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+ | * Auch die Wärmeströme über Wärmebrücken werden explizit berücksichtigt. | ||
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+ | Hierzu werden eindimensionale Ersatzdarstellungen verwendet; in [[Planung: | ||
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+ | |//**__Abb. 3:__ Ausschnitt aus dem Netzwerkmodell für die Simulation mit DYNBIL. Dargestellt ist das\\ Modell einer Zone (Zone VI, Dachgeschoss Süd). Das gesamte Gebäude umfaßt sieben\\ entsprechend verknüpfte Zonen (vgl. __**Abb. 1**__).**// | ||
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+ | Die Modellparameter sind in der Studie im Detail dokumentiert [[Planung: | ||
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+ | |//**__Tab. 1:__ Bestimmungsgrößen für das Passivhaus Darmstadt-Kranichstein (wie gebaut) während\\ des Sommerbetriebes (Reihenmittelhaus): | ||
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+ | ==== Bewertung nach operativen Temperaturen ==== | ||
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+ | Auch für die Bewertung der Behaglichkeit im Sommer ist die operative Temperatur der entscheidende Maßstab; darüberhinaus spielen Luftfeuchtigkeit (Schwülegrenze!) und Luftgeschwindigkeit eine wichtige Rolle. Da hier vor allem das mitteleuropäische Klima behandelt wird, hat sich die Studie zunächst auf die operativen Temperaturen konzentriert [[Planung: | ||
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+ | ==== Vergleich Messung/ | ||
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+ | **__Abb. 3__** zeigt die gemessenen Tagesmittel der Raumlufttemperaturen (alle Räume, Quadratsymbol) im Vergleich zu den Ergebnissen, | ||
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+ | Die Verläufe stimmen qualitativ und quantitativ gut überein, solange die Randbedingungen für das Computer-Modell wie bei den Messungen gewählt werden konnten. Ab etwa 20. April haben die Bewohner des Hauses zusätzlich zur vorhandenen Lüftung über die Anlage auch Fenster zum Lüften geöffnet; diese Fensteröffnungen wurden nicht protokolliert. In der Randbedingung für die Simulation wurde der „Winterbetrieb“ mit geschlossenen Fenstern einfach beibehalten. So erklärt sich die hohe Abweichung am Ende der Kurven. | ||
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+ | Der hier dokumentierte Vergleich zeigt damit, dass das eingesetzte Modell für die systematische Untersuchung der Sommerklimabedingungen geeignet ist. Ähnlich gute Übereinstimmungen zwischen Simulation und Messung ergaben Vergleiche, die von Jens Knissel am IWU mit Meßdaten aus dem Passivhaus Kranichstein unter kontrollierten Sommerbedingungen durchgeführt wurden [[Planung: | ||
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+ | |//**__Abb. 3:__ Die gemessenen Tagesmittel der Raumlufttemperaturen im Vergleich mit den Ergeb-\\ nissen der Simulation mit dem hier verwendeten Modell. Weitere Ergebnisse eines Vergleichs\\ von Messung und Simulation finden Sie hier: [[planung: | ||
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+ | ===== Fazit ===== | ||
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+ | Das Passivhaus Institut (PHI) führt grundlegende Studien zur Entwicklung innovativer Gebäudekonzepte, | ||
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+ | ===== Literatur ===== | ||
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+ | **[DIN 1946]** „Raumluftqualität, | ||
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+ | **[Feist 1993]** Feist, Wolfgang: „Passivhäuser in Mitteleuropa“; | ||
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+ | **[Feist 1994]** Feist, Wolfgang: „Thermische Gebäudesimulation“; | ||
+ | zu beziehen über das Passivhaus Institut | ||
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+ | **[Feist 1997]** Feist, Wolfgang (Hrsg.): | ||
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+ | **[Feist 1998a]** Feist, Wolfgang: „Passivhaus Sommerklima-Studie“; | ||
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+ | **[Feist 1998b]** Feist, W. und Holtmann, K.: „Erhöhter Glaseinstand kann Gefahr von thermisch induzierten Scheibensprüngen reduzieren“; | ||
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+ | **[Feist 1999]** Feist, Wolfgang (Hrsg.): „Passivhaus Sommerfall“; | ||
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+ | **[Peper/ | ||
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+ | **[Kirtschig 1998]** Kirtschig, Thomas; Werner, Johannes; Feist, Wolfgang: „Thermische Behaglichkeit im Passivhaus Kranichstein - eine Wohneinheit als Nullheizenergiehaus: | ||
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+ | **[Knissel 1998]** Knissel, Jens: „Validierung des Simulationsprogramms TAS; Vergleich mit Messergebnissen aus dem Passivhaus Damstadt-Kranichstein“; | ||
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+ | **[Kolmetz 1996]** Kolmetz, S.; „Thermische Bewertung von Gebäuden unter sommerlichen Randbedingungen – Ein vereinfachtes Verfahren zur Ermittlung von Raumtemperaturen in Gebäuden im Sommer und deren Häufigkeit“; | ||
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+ | **[PHPP 2007]** Feist, W.; Pfluger, R.; Kaufmann, B.; Schnieders, J.; Kah, O.: Passivhaus Projektierungs Paket 2007, Passivhaus Institut Darmstadt, 1998-2010 (Link zur Beschreibung: | ||
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+ | **[Wang 1996]** Wang, Zhiwu: „Controlling Indoor Climate“; Dissertation, | ||
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+ | ====== Siehe auch ====== | ||
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+ | **[[planung: | ||
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+ | **[[Planung: | ||
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+ | **[[planung: | ||
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+ | **Weiterführende Erklärungen**\\ | ||
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+ | [[Planung: | ||
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+ | **An das PHPP angegliederte Berechnungstools** \\ | ||
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+ | Übersicht über weitere [[http:// |