Dynamische Simulation des thermischen Verhaltens von Gebäuden

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Eine statische Bilanzierung solarer Gewinne setzt ein ideales Zusammenwirken von Heizungsregelung und thermischer Kapazität des Gebäudes voraus, wobei bei einer Bilanzierung über kurze Zeiträume die Nutzbarkeit solarer Gewinne überbewertet wird. In Übergangszeiten werden so beispielsweise nicht nutzbare, überschüssige Gewinne durch Verschattung oder Lüftung beseitigt (Nutzerverhalten). Auch eine Wahl hinreichend großer Bilanzierungsintervalle führt bei Gebäuden mit hohem Anteil solarer Energiegewinne aufgrund der Nutzbarkeit dieser zu erheblichen Abweichungen. Dynamische Simulationsrechnungen stellen folglich ein wichtiges Planungswerkzeug bei Gebäuden mit hohem aktiven und passiven Solarenergienutzungsgrad dar, indem durch Parameterstudien Energiesysteme mit unterschiedlichen Zeitkonstanten in ihrem Zusammenwirken optimiert werden können. Beispielhaft ist eine Abstimmung zwischen einer Südfassadenverglasung als Direktgewinnsystem mit einer im gleichen Gebäudeteil angesiedelten, transparent gedämmten Außenwand (TWD) als indirektes System mit zeitverzögerter Wärmeabgabe an den Innenraum zu nennen (systemspezifische Phasenverschiebung ca. 6h). Glasscheibe Rollosystem Transparente Wärmedämmung Absorber Wand Temperaturverlauf Luftspalt Temperatur [°C] 50 40 30 20 10 0 -10 6648 Wandoberfläche Bild 1 Bild 2 Funktionsweise einer transparent Zeitlicher Verlauf der Wandoberflächen- und TWD-Absorber- wärmegedämmten Wand [10]. temperatur. Simulationsperiode: Oktober TRY 7 (Freiburg). Temperaturverläufe in einzelnen Zonen, die insbesondere für Komfortbetrachtungen eine große Rolle spielen, können in ihrem zeitlichen Verlauf detailliert dargestellt werden, eine sommerliche Überhitzung einzelner Räume dadurch erfaßt werden. Interessant ist in diesem Zusammenhang auch eine Berechnung der 'frei schwingenden Raumtemperatur', die sich in einem Gebäude ohne Heiz- bzw. Kühllasten einstellen würde. 6660 Außentemperatur 6672 6684 Oktober TRY7 [h] ca. 6h 6696 Absorbertemperatur Raumtemperatur Globalstrahlung 6708 6720 2400 2000 1600 1200 800 400 0 Globalstrahlung [W/m²]
Die dynamische Simulation erfolgt durch Verwendung eines Mehrzonen- Gebäudemodells als nicht geometrischem Gleichgewichtsmodell, dem ein kombiniertes 2*-Knoten Netzwerkmodell nach J. Seem zugrundeliegt [2]. Das Gebäude wird in thermische Zonen unterteilt, in denen eine homogene Raumlufttemperaturverteilung angenommen wird. Jede Zone besitzt jeweils einen Lufttemperaturknoten, der die thermische Kapazität des Luftvolumens und der enthaltenen Masse repräsentiert, und einen Sternknoten zur Behandlung des langwelligen Strahlungsaustausches mit den inneren Umgebungsflächen und des parallelen konvektiven Energieflusses aller inneren Oberflächen zum Luftknoten. q c,s,o q r,s,o S S,o T S,O q S,o Wand außen innen q S,i T S, i S S,i R equ,1 q& = q& + q& T Air,i comb, i c, s, i r , s, i q& + q& + q& + q& inf, i vent , i g, c, i cplg, i Wand Die Energieflüsse einer Zone werden am Luftknoten unter Berücksichtigung der thermischen Kapazität der Zone und der konvektiv zugeführten Heiz- bzw. Kühlenergie als Änderung der inneren Energie bilanziert. Der konvektive Wärmefluß setzt sich dabei aus der Summe der konvektiven Wärmeströme aller umgebenden inneren Oberflächen, der Infiltration, Ventilation, den internen Wärmegewinnen und einem benutzerdefinierten Luftmassenstrom (coupling) je Zeitschritt und Zone zusammen. Der radiative Wärmestrom wird je Oberflächenknoten aus den internen Strahlungsgewinnen, der absorbierten kurzwelligen Strahlung und dem langwelligen Strahlungsaustausch mit den übrigen Oberflächen gebildet. Der Wärmefluß in den Wänden wird eindimensional unter Berücksichtigung der kapazitativen Einflüsse der einzelnen, homogenen Schichten durch Übertragungsfunktionen (response-factor-method) formuliert, womit der momentane Wärmestrom aus Stoffdaten, Oberflächentemperaturen und den Wärmeströmen vorheriger Zeitschritte errechnet wird. R Star T Star q& surf , i Bild 3: 2*-Knoten-Netzwerkmodell einer Zone i nach J.E. Seem R equ,2 q& = q& + q& comb, i c, s, i r, s, i T S,i außen
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