Bernd Antes
Diplomarbeit
Zur Planung des bauphysikalischen Verhaltens eines Gebäudes gehören in zunehmendem Maße Untersuchungen zum thermischen Verhalten der Raumluft. Über bauphysikalische Mindestanforderungen hinaus, welche den Wärmeschutz und die Einsparung von Energie sichern, geht es dabei um eine Verbesserung des Raumklimas für den Nutzer. Die entscheidenden Parameter für ein behagliches Raumklima sind die Temperatur und Geschwindigkeit der Luft und die Oberflächentemperaturen der raumumschließenden Flächen. Als komfortabel wird eine niedrige Luftgeschwindigkeit und ein kleiner Temperaturgradient empfunden.
Bei den Programmen zur Untersuchung des thermischen Verhaltens von Gebäuden lassen sich zwei Gruppen unterscheiden:
Auf der einen Seite stehen die Programme zur thermischen Gebäudesimulation. Sie stellen ein eher grobes Planungsinstrument dar und werden verwendet, um das energetische Verhalten der Gebäude zu analysieren und zu optimieren. Die Simulationsmodelle erfassen die wesentlichen Wärmeströme, und das Verhalten der Raumluft wird mit vereinfachten Modellansätzen beschrieben. Die Darstellung der Temperaturen besitzt in der Regel einen groben Detaillierungsgrad. Dafür beschreiben sie mit einer hinreichenden Genauigkeit das dynamische thermische Verhalten kompletter Gebäude.
Auf der anderen Seite stehen Raumluftströmungsprogramme (CFD). Sie werden angewendet, wenn detaillierte Verläufe für die Luftströmung gefragt sind. Sie berechnen mit numerischen Verfahren Lösungen für einzelne Luftvolumina basierend auf den Bewegungsgleichungen der Strömungsmechanik. Problematisch ist bei ihnen neben den enormen Rechenzeiten vor allem die Beschaffung von Randbedingungen. Doch ohne sinnvolle Randbedingungen sind auch die Ergebnisse der Berechnungen nicht aussagekräftig.
Aus eben diesen Gründen liegt die Idee zu einer Kopplung beider Programmtypen nahe. Mittels einer thermischen Gebäudesimulation werden dann die Randbedingungen für die Raumluftströmungsberechnung bestimmt. Im Rahmen eines Forschungsprojekts wurde eben ein solcher Lösungansatz realisiert (FIRST).
Die Aufgabenstellung meiner Diplomarbeit war es, zu untersuchen, ob die verwendete Programmkonstellation dazu geeignet ist, das Phänomen des Auftriebs, das sich speziell in hohen Räumen (beispielsweise in hohen verglasten Atrien) einstellt, darzustellen. Der Effekt der Konvektion ist meßbar am vertikalen Temperaturgradienten. Im Rahmen der Arbeit erfolgte ein Vergleich von berechneten und im Versuch gemessenen Temperaturwerten. Die Berechnungen beruhten dabei auf den ebenfalls gemessenen Wettergrößen.
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