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| | Simulationssoftware für
energieeffiziente Gebäude
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| | DK-Integral ist ein dynamisches Simulationswerkzeug zur Entwicklung energieeffizienter Unikate in den Bereichen Architektur, Materialien und Prozesse. Bereits vor und während dem Modellbau/Prototypenbau können noch nie da gewesene Konzepte und zukunftsweisende Ideen im Simulationsmodell validiert werden.
Die Simulationsergebnisse bieten dann eine wichtige Entscheidungsgrundlage für die Umsetzung der besten Variante in die Realität.
Hinter DK-Integral steckt die Weiterentwicklung der dynamischen Simulationssoftware DK-Solar, von einem spezifischeren Softwaretool mit Schwerpunkt Solarenergie hin zu einem integralen Simulationswerkzeug für energieeffizientes Bauen.
Die wichtigsten Features von DK-Integral:
• Gekoppelter Wärme- und Feuchtetransport in
Bauteilen
• Latente Energiespeicherung / PCM
(Phase Change Material)
• Tageslicht und Kunstlicht
• Heizung/Kühlung/Lüftung
(Hüllflächen/Hypokausten)
• Solarenergie/Geothermie/BHKW/KWK
• Optimierte Regelungstechnik direkt auf
Microcontroller umsetzbar
Der verantwortungsvolle Umgang mit Ressourcen und die Verminderung der Schadstoffbelastung sind Bereiche, die in Zukunft ständig an Bedeutung gewinnen werden. Architekten und Ingenieure werden in ihrer planerischen Tätigkeit schon heute durch energietechnische und ökologische Aspekte herausgefordert, die in ihren Arbeiten und Entwürfen eine wesentliche Rolle spielen.
Delzer Kybernetik bietet mit DK-Integral ein Programm an, mit dem sich Auswahl und Dimensionierung aller energietechnisch relevanten Parameter schon im frühen Entwurfsstadium simulieren lassen. Auf diese Weise kann bereits im Entwurf, aber auch im Rahmen einer Modernisierung oder Erweiterung von Bestandsprojekten, das optimale Zusammenspiel eines Gebäudes simuliert und umgesetzt werden.
Mittels Simulationsläufen können Parameter für Energieeinsparung und Kostenoptimierung wirklichkeitsnah dargestellt werden. Dabei wird besonders auf die Faktoren Gebäude, Standort, Materialien, technische Anlagen, Energiefassaden, Solarsysteme, Geothermie und Feuchte/Austrocknung eingegangen. Das größte Einsparpotenzial bei den Investitions- und Betriebskosten liegt im optimalen Zusammenspiel dieser Parameter. Dies bildet die Basis für eine erfolgreiche ganzheitliche/integrale Planung.
Delzer Kybernetik verfügt auf dem Gebiet der Energie- und Solartechnik über jahrelange theoretische und praktische Erfahrung. Schon heute wird DK-Integral von F&E Firmen zur Produktentwicklung, Fachleuten, Architekten sowie an vielen führenden Universitäten und Hochschulen erfolgreich eingesetzt.
Dank der sicheren Vorhersage energierelevanter Ergebnisse lassen sich Gewerke und technische Anlagen praxisgerecht auslegen und optimal aufeinander abstimmen. Eine Überdimensionierung kann nahezu ausgeschlossen werden.
Validierung
DK-Integral wird an wissenschaftlichen Instituten und Hochschulen für die Lehre und Forschungsprojekte eingesetzt. Detaillierte Vergleiche zwischen Bestandsgebäuden und Simulationsergebnissen wurden seit 25 Jahren kontinuierlich durchgeführt und zeigten jeweils sehr gute Übereinstimmung mit der Realität. Auch für gewagte innovative Projekte konnte nach Inbetriebnahme die hohe Übereinstimmung beim Energiebedarf, Gebäudedynamik und Behaglichkeit festgestellt werden.
Zur weiteren Absicherung wurden die Tests nach VDI-Richtlinien zur Simulation der Kühlung von Bürogebäuden durchgeführt und zeigten klare Übereinstimmung.
DK-Integral lässt sich sowohl in den energietechnisch anspruchsvollen Bereichen Denkmalschutz, Altbausanierung und Bauen im Bestand einsetzen, als auch zur Planung zukunftsweisender neuer Gebäudekomplexe. Die Einsatzbereiche erstrecken sich von Privathäusern über Bürogebäude bis hin zu öffentlichen Gebäuden und Sonderbauten mit komplexen Anforderungen an Gebäudeklimatik und Energiemanagement.
Mögliche Simulationsszenarien mit DK-Integral:
• Simulation, Auslegung und grafische
Dokumentation von Energieversorgung, Anlagen
zur Nutzung der Sonnenenergie sowie von Dämm-
und Lüftungsmaßnahmen
• Simulation und vergleichende Darstellung von
Gebäudekomplexen mit unterschiedlichen
Nutzungszonen
• Simulation und vergleichende Darstellung von
Gebäudeensembles oder von miteinander
gekoppelten Gebäuden. Dadurch können
gebäudeklimatisch komplexe Situationen erfasst
und effiziente Energiekonzepte entwickelt werden
• Besondere Gebäudeklimatische und
Bauphysikalische Einflüsse in Sonderbauten können
simuliert, gewichtet und im Sinne einer integralen
Planung in das energetische Gesamtkonzept
integriert werden. Welche Anforderungen aber auch
Möglichkeiten stehen beispielsweise hinter den hohen
Innenraumtemperaturen und Luftfeuchtigkeit in
Thermal- und Meerwasserbädern oder Tropenhallen?
Wie reagiert das Gesamtenergiekonzept auf
großflächige Speicher, z. B. Eislaufflächen
(Phase Changing Material) in Eishallen oder
Bauteilen/Wandschichten mit PCM?
• Freie Wahl des Gebäudestandortes (weltweit)
und der Gebäudeausrichtung
• Freie Anordnung der Bauteile in Winkel und
Neigung
• Eine breite Palette von Wärmetransfer-
Situationen sind im Detail darstellbar: Innere und
äußere Flächentemperaturen, Transferschichten
• Flexible Eingabemöglichkeit sehr effektiver
Regelungsstrategien für verschiedene
Mehrspeichersysteme
• Gekoppelte Simulation von Anlagentechnik und
Gebäude zur Berücksichtigung der solaren Gewinne
und der Wechselwirkungen von Kollektoranlage /
Geothermie und Gebäudeverhalten
• Einbeziehen von Topographie und Beschattung
• Berücksichtigung Interner Wärme- und Kältequellen
• Berücksichtigung des Nutzerverhaltens
• Benutzerdefinierte Simulationszeiträume
• Gebäudeunabhängig: reine Untersuchung von
Materialverhalten unter bestimmten
Randbedingungen. Wie reagiert z. B. eine
Natureisfläche (Material mit unterschiedlichen
physikalischen Zuständen, in der Simulation
eingegeben als PCM) auf wechselnde
Umweltbedingungen?
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Systematischer Entwicklungsregelkreis für Unikatprozesse mit DK-integral.
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Firmenkontakt
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| | Praxisreport
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| | Anhand von zwei Anwendungen werden die Einsatzmöglichkeiten von DK-Integral exemplarisch verdeutlicht:
Energetisches Gesamtkonzept
Die Umweltmedizin Freiburg ist ein Gebäude, dass aufgrund seines ganzheitlichen Konzeptes für Architektur und Energieeffizienz in vielen Veröffentlichungen als beispielhaft gelobt wurde.
Mit DK-Integral wurde das Gesamtkonzept für Büro- und Laborbereich und ein neues Lüftungskonzept für die Bürozone mit natürlicher Lüftung entwickelt, in dem das Raumklima über ein Zusammenspiel zwischen Doppelfassade und Erdregister reguliert werden kann.
Das Erdregister dient Jahreszeitenabhängig als Kälte- oder Wärmequelle, während die Doppelfassade als Energiefassade und Luftkollektor für die Regulierung von Kühlung und Heizung über die natürliche Lüftung genutzt wird.
Natürliche Lüftung und Temperierung im Winter
Die Luftkollektoren in der Doppelfassade dienen im Winter zur Erwärmung der Zuluft. Die Zuluft wird durch Abluftwärme mittels Kreislauf / Wärmeverbundsystem oder über das Erdregister vorgewärmt und von unten in die Fassade eingeleitet. Dann strömt sie mäanderförmig durch die Energiefassade im Gegenstrom zur Wärmeleitung von außen nach innen in die Büroräume. Dabei wird sie an Sonnentagen zusätzlich durch die solare Strahlung auf die Fassade erwärmt. Durch dieses Prinzip der Luftführung werden auch die Transmissionswärmeverluste, die sonst durch die Bauteile verloren gehen, zum Teil zurückgewonnen.
Natürliche Lüftung und Temperierung im Sommer
Im Sommer wird die Zuluft für die Büroräume über das Dach eingeleitet und durch die Erdregisterkälte gekühlt. Dazu fällt kühle Luft, die schwerer ist als warme Luft, durch einen Luftschacht von oben ins Gebäude und verstärkt so die natürliche Lüftung. Wird das Temperaturniveau im Erdregister zu kalt, um die Außenluft auf diese Weise zu temperieren, wird eine Wärmepumpe zugeschaltet.
Der Auftrieb der Luftkollektoren im Sommer verstärkt die Abluft. Die hohen Temperaturen in der Energiefassade würden über die Wärmeleitung der Fassade die Räume zusätzlich erwärmen. Deshalb strömt die Abluft mäanderförmig von Innen nach außen und nimmt so einen Teil des Wärmeeintrages mit und wird dann durch die Luftkollektoren an die Umgebung abgegeben.
Erfolgskontrolle durch Langzeitanalyse
Nach der Realisierung des Gebäudes wurde eine Erfolgskontrolle des Konzepts durch Analyse der Gebäudedaten, des Nutzerverhaltens und der Energieverbräuche in den ersten zwei Jahren durchgeführt. Diese Analyse bestätigte die dynamischen Simulationen für das energetische Gesamtkonzept über den Energieverbrauch und die Behaglichkeitsparameter in den Räumen. Vor allem die Genauigkeit der dynamischen Simulationen in Energiebedarf und Temperaturverläufen waren die Basis für eine gute Analyse der Umsetzung und des Nutzerverhaltens.
Die Grafik zeigt folgendes: Für die komplexe Bürozone mit natürlichen Luftströmungen ist die Übereinstimmung sehr genau. Für die Laborzone ist die Abweichung ca. 35 % und für den Gesamtenergiebedarf ist die Abweichung ca. 15%.
Wie in der Grafik dargestellt, lagen die Simulationsergebnisse aus dem Jahr 2002 insgesamt niedriger als die real erreichten Werte. Diese Abweichungen konnten im Rahmen der Analyse des Nutzerverhaltens durch verstärkte Lüftung in der Laborzone erklärt werden. In der Laborzone wurde der maximale Luftwechsel im Normalbtrieb in der Planungsphase von 8 auf 4 halbiert. Mittels rotem Knopf/Turbotaste kann der Luftwechsel von 4 auf 8 im Bedarfsfall angehoben werden. Der rote Knopf wurde häufiger genutzt als angedacht. Hier könnte zum Beispiel eine Luftqualitätsmessung der Schadstoffe das Vertrauen der Nutzer steigern und somit die Turbolüftung weniger häufig aktivieren lassen.
Während im Vergleich der dynamischen Simulation 2002 zur Realität (Ist 2008) das Optimierungspotenzial im Bereich des Nutzerverhaltens bereits numerisch zu erkennen ist, ist dieses Potenzial im Vergleich hierzu bei der statischen EnEV-Berechnung nicht zu erkennen. Durch die rechnerische Ungenauigkeit weichen die errechneten Werte so dramatisch nach oben ab, dass der Nutzer sich sogar trotz der in der Analyse deutlich gewordenen Mängel zu seinen (nach EnEV Berechnung) unerwartet positiven Verbräuchen beglückwünschen könnte. Dabei bleiben real vorhandene Potenziale zur Kosten- und Verbrauchsoptimierung ungenutzt.
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Umweltmedizin Freiburg
Systematische Darstellung der natürlichen Büroluftung im Winter im Detail.
Systematische Darstellung der natürlichen Bürolüftung im Sommer im Detail.
Vergleich Prognose im Jahr 2002 mit Ist-Verbrauch im Jahr 2008. Die Prognose ist in rot und die gemessenen Werte in grün dargestellt.
Heizwärmebedarf Gesamt (Vergleich Prognose im Jahr 2002 mit Ist im Jahr 2008).
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| | Anwendungsbereich Forschung
Forschungsprojekt Innerstädtische Systembauweisen der Universität Weimar: Kooperationsprojekt Professuren Stahlbau, Architektur, Bauklimatik, Gebäudetechnik; Frau Prof. Schulz, Thomas Wahlbuhl, Juliane Roß; Studie zur effektiven Sanierung von Stadthäusern im Bestand, Altbauten und Gebäuden unter Denkmalschutz der Bauhaus Universität Weimar mit DK-Integral.
Damit eine Vergleichbarkeit bei den Simulationsergebnissen realistisch ist, sollten alle Untersuchungen mit einem Programm durchgeführt werden, damit Modellierungsunterschiede oder andere Randbedingungen das Ergebnis nicht verfälschen. Mit DK-Integral stand ein dynamisches Simulationsprogramm zur Verfügung, das diese Vielfalt realitätsnah abbildet.
Untersucht wurde an einem innerstädtischen Gebäude-Prototypen der Einsatz unterschiedlicher Fassadenmaterialien. Alle untersuchten Varianten entsprachen dem selben Energiestandard KfW-Effizienzhaus-55 und hatten gleiche U-Werte der Hüllflächen. In der statischen Berechnung sind die Ergebnisse aller Varianten unter diesen Randbedingungen identisch. Die dynamische Simulation mit DK-Integral zeigt dagegen aufgrund des unterschiedlichen Speicherverhaltens der eingesetzten Materialien deutliche Unterschiede in den Ergebnissen.
Untersuchte Varianten mit massiven Bauteilen
Variante 1a:
Gipskartonplatte, Kalksandstein Planelement, Mineralwolldämmung
Variante 1b:
Gipskartonplatte, Kalksandstein Planelement, Lehmbauplatte
Variante 1c:
PCM-Gipskartonplatte, Kalksandstein Planelement, Mineralwolldämmung
Variante 1d:
Gipskartonplatte, Kalksandstein Planelement, Holzfaserdämmung
Variante 2:
Kalksandstein, Gipskarton, Lattung
Untersuchte Varianten ohne massive Bauteile
Variante 5a:
Gipskartonplatte, Mineralwolldämmung, Mineralwolldämmung
Variante 5b:
Gipskartonplatte, Mineralwolldämmung, Mineralwolldämmung, PCM
Variante 6a:
Gipskartonplatte, Mineralwolldämmung, Hoesch-Matrix System
Ergebnisse der Studie
1. Bei gleichem Energiestandard der Varianten kommen unterschiedliche Ergebnisse bezüglich Innentemperaturen im Sommer, Kühl- und Heizenergiebedarf zustande
2. In Räumen mit Wandaufbauten aus speicherfähigem Material werden im Sommer seltener unangenehm hohe Innenraumtemperaturen erreicht, als in Räumen ohne speicherfähiges Material
3. Gebäude, welche ohne speicherfähiges Material gebaut werden, brauchen eine zusätzliche Kühlung
4. In Gebäuden mit speicherfähigem Material lassen sich auch ohne außenliegendem Sonnenschutz akzeptable Innenraumtemperaturen bei unangenehm hohen Außentemperaturen erreichen. Diese Erkenntnis ist besonders für Denkmalgeschützte Gebäude oder Gebäude in historischen Innenstädten mit Gestaltungsauflagen interessant. Hier ist ein außenliegender Sonnenschutz häufig unzulässig.
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Grafik zur Untersuchung: Überhitzungsstunden im Sommer.
Grafik zur Untersuchung: Heiz- und Kühlenergiebedarf‘.
Grafik zur Untersuchung: Sonnenschutz. (Bild und Graphiken: Delzer Kybernetik)
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