Thermal Bridge Heat Transfer & Vapour Diffusion Simulation Program AnTherm Version 6.115 - 8.133 

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On three dimensional simulation of thermal behaviour of buildings

This essay is available in German only.

Zur dreidimensionalen Simulation des thermischen Verhaltens von Gebäuden

Das Konzept der harmonischen thermischen Leitwerte wird verwendet, um die in den Bauteilen eines Gebäudes mehrdimensional ablaufenden Wärmeleitungsvorgänge unter Berücksichtigung der Wärmespeicherung zu beschreiben. Der Entwurf eines thermischen Netzwerkes führt auf ein leicht überschaubares Konzept für mehrdimensional arbeitende Programme zur Simulation des thermischen Verhaltens von Gebäuden. Die Möglichkeiten und Grenzen eines derartigen Simulationsprogramms werden am Beispiel eines in den Erdboden abgesenkten Wohnhauses mit hochverglaster Südfassade aufgezeigt.

Die Simulation des thermischen Verhaltens von Gebäuden erfordert unter anderem die rechnerische Erfassung von Wärmeleitungs- und Wärmespeicherungsvorgängen in den Bauteilen des Gebäudes. In den letzten drei Jahrzehnten wurden hierfür verschiedenste Berechnungsalgorithmen entwickelt – siehe z. B. Gertis & Hauser [1] oder Feist [2]. Der Vielzahl an Methoden und Programmen zur Erfassung des thermischen Verhaltens von Gebäuden haftet jedoch eine Gemeinsamkeit an. Die Wärmeleitungsgleichung wird in eindimensionaler Näherung angesetzt und – meist näherungsweise – gelöst. Mehrdimensional ablaufende Wärmeleitungsvorgänge werden bestenfalls mittels Einführung von stationären Korrekturfaktoren berücksichtigt.

Die Notwendigkeit der Berücksichtigung von Bereichen mehrdimensionaler Wärmeleitung – schlagwortartig meist als “Wärmebrücken” bezeichnet – steht für Gebäude, die nach heutigen Bauordnungen oder Wärmeschutzverordnungen wärmegedämmt sind, außer Streit. So ist in nationalen (siehe z. B. ÖNorm B8110-1 [3]) wie auch internationalen Normenwerken [4] die Berücksichtigung von Wärmebrücken bei der Berechnung des Heizwärmebedarfes von Gebäuden zwingend vorgeschrieben. Die in diesen Normen angegebenen Berechnungsansätze bleiben auf stationäre, d. h. zeitunabhängige Vorgänge beschränkt. Wärmespeicherungsvorgänge, die die mehrdimensional ablaufenden Wärmeleitungsvorgänge beeinflussen, bleiben unberücksichtigt.

Dieser unbefriedigenden Situation wurde mit der Entwicklung eines theoretischen Konzeptes, das instationär mehrdimensional ablaufende Wärmeleitungsvorgänge unter Berücksichtigung der Wärmespeicherung zu erfassen gestattet, begegnet [5, 6]. Mittlerweile ist das durch Heindl et al. [7] entwickelte Konzept der thermischen Leitwerte in der Europanorm über die rechnerische Behandlung von Wärmebrücken [8] verankert. Die Verallgemeinerung dieses Konzeptes auf instationäre Vorgänge führt gemäß [5] auf komplexwertige thermische Leitwerte. Das verallgemeinerte Leitwert-Konzept wurde zumindest vom allgemeinen Ansatz her in die internationale Norm EN ISO 13786 [9] übernommen. Der in [5] eingeführte “verallgemeinerte Leitwert” wird in der EN ISO 13786 als “harmonischer thermischer Leitwert” bezeichnet – ein Begriff, der auch hier verwendet werden soll.

In der vorliegenden Arbeit wird unter Zugriff auf die in [7], [5] und [6] entwickelten theoretischen Grundlagen ein Berechnungsmodell für ein mehrdimensional arbeitendes Simulationsprogramm zur Erfassung des thermischen Verhaltens von Gebäuden vorgestellt und diskutiert.

... Programme, die auf dem geschilderten physikalischen Modell aufbauen, erlauben die mehrdimensionale Simulation des thermischen Verhaltens von Gebäuden und zeichnen sich durch extrem kurze Rechenzeiten und unmittelbar interpretierbare Ergebnisse aus. Die Handhabung des Simulationsmoduls kann für den Benutzer äußerst einfach gestaltet werden, da die dreidimensionale Modellierung des Gebäudes, die zur Berechnung der Leitwert-Matrix und der Heizleistungsverteilungsschlüssel erforderlich ist, unter Zugriff auf ein instationäres "Wärmebrückenprogramm" in einer Vorwegberechnung erfolgt. Die Ergebnisse der Simulation - Zeitverläufe der Innenlufttemperaturen und/oder Zeitverläufe von Heiz- oder Kühlleistungen - können mittels Übergabe an das im ersten Schritt verwendete "Wärmebrückenprogramm" dazu verwendet werden, den zeitlichen Verlauf des Temperaturfeldes innerhalb der Bauteile des Gebäudes zu berechnen. Natürlich kann hierbei auch der Zeitverlauf der Oberflächentemperaturen, der sich unter Berücksichtigung der mehrdimensional ablaufenden Wärmeleitungs- und Wärmespeicherungsvorgänge einstellt, abgerufen werden.

Die in den Bauteilen eines Gebäudes ablaufenden Wärmespeicherungseffekte beeinflussen den sich einstellenden Wärmestrom. In mehrdimensionalen thermischen Modellen bleiben diese Wärmespeicherungseffekte bei heute gebräuchlichen Gebäudesimulationsprogrammen unberücksichtigt. Mit dem hier diskutierten Berechnungsmodell wird es möglich sein, die Größenordnung des Fehlers, der durch solch' eine Vernachlässigung entsteht, zu quantifizieren. Insbesondere für Sommertauglichkeitsberechnungen kann durch die nun mögliche Überprüfung der üblicherweise verwendeten vereinfachten Ansätze die Planungssicherheit erhöht werden. Zudem ist es nunmehr - wie im Beispiel gezeigt - möglich, auch jene Entwurfsstrategien zu überprüfen und zu optimieren, die Wärmespeicherfähigkeitseffekte auszunutzen versuchen.

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The above essay has been incorporated with friendly permission from Klaus Kreč, Büro für Bauphysik, A-3562 Schönberg am Kamp, Veltlinerstr. 9, Österreich/Austria .

[1] Gertis, K. und Hauser, G.: Instationäre Berechnungsverfahren für den sommerlichen Wärmeschutz im Hochbau. Verlag Ernst & Sohn, Berlin, Berichte aus der Bauforschung, Heft 103, (1976)
[2] Feist, W.: Thermische Gebäudesimulation. C. F. Müller Verlag Heidelberg 1994
[3] ÖNorm B8110-1, Wärmeschutz im Hochbau – Anforderungen an den Wärmeschutz und Nachweisverfahren. (2000)
[4] EN 832, Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden – Berechnung des Heizenergiebedarfs – Wohngebäude (1998)
[5] Kreč, K.: On the Storage of Heat in Building Components (Zur Wärmespeicherung in Baukonstruktionen). Gesundheits-Ingenieur 114 (1993), H. 1, S. 11-18.
[6] Kreč, K.: Wärmeleitung in Baukonstruktionen unter Berücksichtigung von Wärmequellen. Gesundheits-Ingenieur 114 (1993), H. 6, S. 313-318.
[7] Heindl, W., Kreč K., Panzhauser E. und Sigmund A.: Wärmebrücken. Springer-Verlag Wien-New York 1987.
[8] EN ISO 10211-1: Wärmebrücken im Hochbau – Wärmeströme und Oberflächentemperaturen – Teil 1: Allgemeine Berechnungsverfahren. (1996)
[9] EN ISO 13786: Wärmetechnisches Verhalten von Bauteilen – Dynamisch-thermische Kenngrößen – Berechnungsverfahren (1999)

See also: Theoretical background


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2017-03-22 10:19 +0100