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Planung
Gesamtkonzept
Dynamische
Gebäudesimulation
Die vielfältigen Anforderungen an Form und Funktion eines
Gebäudes werfen Fragen auf, die mit konventionellen Methoden
oft schwer zu beantworten sind. Maßgeschneiderte Lösungen
lassen sich mit der dynamischen Gebäude- und Anlagensimulation entwickeln, wie der Neu und Umbau vieler moderner
Gebäude zeigt
V
ielfach wird in der heutigen
Planung in der Form vorgegangen, dass der durch die
Architektur gegebene Baukörper mit
den ihm eigenen bauphysikalischen
Randbedingungen losgelöst von der
Technik betrachtet wird. So entstehen Gebäude mit einem hohen
Technikanteil, die gekennzeichnet
sind durch:
Bild 1: Ablauf und Einflussgrößen
einer dynamischen Gebäudeund Anlagensimulation
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❚ geringe individuelle Einflussmöglichkeit des Nutzers
❚ wenig Behaglichkeit und hohe
Kosten
❚ hohen Energieverbrauch und
hohe Emissionen.
Eine allgemeine Lösung für diese Probleme zu finden fällt schwer – davon
zeugen u.a. die für die gebäudetechnische Planung eingesetzten Standard-
programme. Zur qualitativen und
quantitativen Entwicklung von maßgeschneiderten
Planungsvarianten,
zum technischen Betrieb und zum
Benchmarking von Immobilien bietet
sich ein komplexer Optimierungsansatz: die dynamische Gebäude- und
Anlagensimulation.
Gebäudesimulation
Die dynamische Gebäude- und Anlagensimulation bildet auf der Basis eines Computersimulationsmodells das
stündliche Verhalten von einem Gebäude nach – jeweils bezogen auf ein
Betriebsjahr. Maßgebende Faktoren
dafür sind der jeweilige Standort, die
Beschaffenheit des Gebäudes und seiner haustechnischen Anlagen, seine
Nutzung und die regionalen Wetterdaten (Bild 1). Vielfältige Varianten werden vor dem eigentlichen Bau simuliert und deren Auswirkungen auf die
Betriebs- und Investitionskosten sowie
das Raumklima berechnet, bewertet
und optimiert.
Zur Erarbeitung eines der modernen
Architektur adäquaten gebäude- und
anlagentechnischen Konzeptes wird
vielfach eine dynamische Gebäudesimulation durchgeführt.
Architektur
Der Neubau des Gebäudes soll auf einem Gelände errichtet werden, das ab
dem 3. Obergeschoß gut einsehbar
ist.
Eine Außendarstellung des
Unternehmens ist bei Anordnung an
der Südfassade daher ideal gegeben.
Die Materialien wurden in ihrer Erscheinung als unprätentiös mit ho5/2005
Planung
Der Erweiterungsbau
der Sendeanstalt SAT1
wurde mittels dynamischer Gebäude- und
Anlagensimulation
geplant.
Grafische
Oberfläche
des
Simulationsprogrammes
hem Nutzwert und vor allem hoher
Nutzdauer gewählt. Die Farbgebung
soll die materialimmanenten Farben
zum Gestaltungsprinzip erheben:
Sichtbeton, Edelstahl, Glas. Die Fassaden bilden mit ihrer texturalen Gestaltung der Außenflächen einen
spannungsvollen Kontrast. Geschlossenheit und Transparenz differenzieren zusätzlich die Baumassen. Zusammen mit den skulpturalen Baukörperformen entsteht ein mit zeitgemäßen
Mitteln gestaltetes und in seiner Erscheinung herausragendes und modernes Gebäude (Bild 2).
Simulationsmodell
Zonierung: Das Gebäude wurde entsprechend seiner Nutzung, seiner
Geometrie und seiner energetischen
Belastung in Berechnungszonen unter5/2005
gliedert. Jede Zone für sich unterliegt
unterschiedlichen, sich stündlich verändernden Belastungen durch innere
und äußere Lasten sowie die anlagentechnischen Größen. Dabei wurde
der Baukörper in zwei Bauteile unterteilt, für die unterschiedliche ReferenzBauteil
West
geschoße definiert wurden (s. Bild 3).
Innere und äußere Lasten: Zu den
inneren Lasten zählen Personen, Beleuchtung und die technische Büroausstattung. Sie führen in der Sommerperiode (Kühlfall) zu nutzungsabhängigen Kühllasten und im Winterfall (Heizfall) zu einer entsprechenden
Reduktion des Wärmebedarfs. Äußere
Lasten entstehen für das Gebäude aus
den Witterungseinflüssen wie Temperatur, Feuchte, Strahlung und Wind.
Diese wirken einerseits über die
Außenhaut des Gebäudes, andererseits
führen sie über den Luftwechsel Lasten zu bzw. ab. Sowohl innere als auch
äußere Lasten werden stündlich für
ein Jahr nachgebildet und dem Gebäude aufgeprägt.
Bauteil
Ost
Bild 3: Zonenmodell beider
Bauteile im Simulationsprogramm
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Planung
Dynamische Gebäudesimulation
Anlagentechnik: Die Kühlung und
Heizung des Gebäudes soll durch Betonkernaktivierung erfolgen, die als
Technik umweltschonend das natürliche Energieangebot zu nutzen vermag.
Gleichzeitig wird auf einfache und
Kosten sparende Weise thermische Behaglichkeit im Gebäude geschaffen.
Durch eine aktivierte speicherwirksame Bauwerksmasse wird eine Dämpfung der Raumtemperatur im Tagesverlauf erreicht. Dazu werden bauteilintegrierte Rohrregister in der statisch
neutralen Zone der Decken von Wasser in energetisch sinnvollen Temperaturbereichen durchflossen (Bild 4).
Bild 4: Schnitt durch ein aktiviertes
Bauteil (Quelle: velta)
Die Betonkernaktivierung kann – physikalisch bedingt – nicht zu jedem
Zeitpunkt die auftretende Last in vollem Umfang abführen. Somit gleitet
die Temperatur im Tagesverlauf in Abhängigkeit von der verfügbaren Speichermasse und den auftretenden Heizbzw. Kühllasten. Eine zeitabhängige,
d.h. dynamische Betrachtung aller Fak-
toren, die den Temperaturverlauf im Gebäude beeinflussen ist daher mittels Gebäudesimulation notwendig.
Verglasung
In einer ersten Simulationsrechnung wurde festgestellt,
dass – bedingt durch die nahezu vollflächige Glasfassade
– lediglich der Kühlfall für
ausgewählte Räume des Gebäudes kritisch ist. Optimierungsgrößen für die Fassade
sind daher der k- und der gWert der Verglasung in Zusammenspiel mit dem verwendeten Verschattungssystem. Im ersten Schritt wurde
daher der energetische Einfluss des g-Wertes auf die
maximale Kühllast und den
Jahreskühlenergieverbrauch
bestimmt (Bild 5).
Darauf aufbauend wurde zur
Feststellung des thermischen Einflusses
des g-Wertes der Verglasung dieser in
Schritten zu 10% von g = 0,2 … 0,8
erhöht und jeweils eine Jahressimulation durchgeführt. Im Anschluss an
jede Simulation wurden die 4.400
Stundenwerte jeder Variante (Monate
April-September) statistisch ausgewertet. Es wurden für den Raumtemperaturbereich 22°C … 32°C insgesamt 7
Cluster mit einem Raster von 2 K gebildet. Für jedes Temperaturcluster
wurde die Anzahl der Stunden er-
Bild 5: Maximale Kühllast ausgewählter Räume in Abhängigkeit von der
Gesamtenergiedurchlässigkeit des verwendeten Glases (g-Wert)
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Bild 6: „Kennfelder“ Überhitzungsstatistik für verschiedene Räume in
Abhängigkeit vom g-Wert
mittelt (Bild 6). Auf diese Art und
Weise erhält man aus komplexen Simulationsrechnungen kennfeldähnliche Diagramme, die für den Planungsingenieur in der Praxis leicht verwendbar sind.
Verschattung
Der Charakter eines Bauwerkes wird
nicht alleine durch die Form und die
verwendeten Materialien bestimmt –
es sind die Details, die dem Objekt
sein Gesicht verleihen. Dabei ist der
Sonnenschutz für jedes Gebäude eine
unverzichtbare Planungsaufgabe mit
sehr individuellen Gestaltungsmöglichkeiten, deren Ziel es ist, den
Wunsch des Menschen nach Tageslicht
sowie den Schutz vor Überhitzung in
einem intelligenten Konzept miteinander zu vereinen. Beim Design der Verschattung des Gebäudes wurden –
ähnlich wie bei der Hypo Alpe-AdriaBank in Klagenfurt – fixe Lochbleche
als Verschattungselemente verwendet
(Bild 7).
Mittels der dynamischen Gebäudesimulation wurden durch zahlreiche Variantenrechnungen für jede Stunde des
Jahres die optimale Kombination von
5/2005
Planung
Bild 9:
Thermische
Optimierung
der geplanten
Sonnenschutzlösung: Maximale Kühllast
in Abhängigkeit
von der
Elementlänge
und dem Lochanteil
Bild 7: Beispiel Verschattungselemente
(Quelle: Hypo Alpe-Adria-Bank)
a) Verschattungswinkel, b) Elementlänge und c) Lochblechanteil bestimmt (Bild 8 und 9). Überlagert
wurde diese von einer Verschattungssimulation, die den aus den unterschiedlichen Anstellwinkeln resultierenden Verschattungseffekt visualisiert.
Zusammenfassung
Als Teil eines integralen Planungsprozesses erfolgten alle Optimierungs-
schritte in enger Abstimmung mit
dem Bauherren, dem Architekturbüro
sowie den Bauphysikern. In ersten Simulationsrechnungen wurde festgestellt, dass – bedingt durch die nahezu
vollflächige Glasfassade – lediglich der
Kühlfall für ausgewählte Räume des
Gebäudes kritisch ist. Hierfür wurde
eine Optimierung der Fassade hinsichtlich Verglasung und Verschattung
durchgeführt. Im Ergebnis der Simulation konnte ein mit der modernen Architektur und der zeitgemäßen Technik der Bauteilaktivierung harmonierendes Gesamtkonzept erarbeitet werden. Neben optimalen klimatischen
Bedingungen stand auch ein nachhaltig geringer Energiebedarf im Vordergrund. Entsprechend der Nutzung
wurde das Gebäude in Zonen unterteilt. Für jede von diesen wurde der
optimale g- und k-Wert bestimmt, für
das Atrium wurden darüber hinaus die
Verschattungselemente dimensioniert.
So ergibt sich ein energieminimales
Gebäude, das ein sich den natürlichen
Umgebungsbedingungen nachschwingendes Raumklima in allen Bereichen
des Gebäudes aufweist (Bild 10).
Bild 10: Raum- und Umgebungstemperaturen
einschließlich Statistik
nach der Optimierung
Bild 8: Detailskizze der geplanten Sonnenschutzlösung (Quelle: MHM Architects)
Die Autoren
DI Dr.-Ing. Axel Seerig
Jahrgang 1962; 1983 Studium Verfahrenstechnik
und 1992 Promotion Thermodynamik an der TU
Berlin; 1994 Einstieg bei der Deutschen BabcockBorsig AG; 1996 – 2003: Entwickler und Energy
Consultant für u.a. Deutsche Bank, RWE, HEW und
BEWAG; 2004/2005: Studiengangsleitung
Gebäudetechnik, FH Burgenland; derzeit Lektor im
KKB Energie- und Umweltmanagement der FH
Burgenland, der TU Graz und der STU Bratislava
DI Dr.-Ing. Axel Seerig
sowie Projektentwickler für u.a. Strabag und MCE
DI (FH) Katharina Eder Jahrgang 1982, studierte
bis 2004 Gebäudetechnik und ist jetzt wissenschaftliche Mitarbeiterin am
Institut für Wärmetechnik der TU Graz.
DI Miklos Nikolics Jahrgang 1949, ist Prokurist und Bereichsleiter
Haustechnik und Facility Management des Unternehmensbereiches
Hochbau International der Strabag Bauholding Wien.
5/2005
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