Erweiterung dynamischer Gebäudesystemsimulationen mittels FEM-basierter Simulationsmodelle (FEM2SYS)

Verbesserung und Optimierung von Building Performance Simulation durch Softwareerweiterungen auf der Basis von detaillierten Finite-Elemente-Modellen

Kommerzielle thermische Building Performance Simulation (BPS) Software basiert i.d.R. auf dem Prinzip der "Lumped-Parameter-Methode" (LPM). Dabei handelt es sich um kompakte Modelle mit einer geringen und limitierten Anzahl von Knoten und stark vereinfachten Elementen (thermische Widerstände, Speichermassen als Kapazitäten, Energieflussnetze). Der Vorteil von BPS mithilfe von Kompaktmodellen (LPM-Modellen) ist die sehr kurze Simulationszeit, allerdings auch auf Kosten der Feinheit des Modells. In diesem Projekt werden BPS-Simulationen mit detaillierter Multiphysik-FEM-Software durchgeführt, was einen bisher wenig erforschten Zugang zur Gebäudesimulation ermöglicht. Die untersuchten Gebäudezonen werden mit einer Vielzahl komplexer physikalischer Module ausgestattet und mit einem engmaschigen Netz zur Modellierung der Bauteile und Raumluftbereiche verknüpft. Damit ist es möglich, genauere und feinere Untersuchungen durchzuführen und physikalische Effekte, die für die Bauklimatik relevant sind, zu identifizieren und zu quantifizieren. Auf diese Weise können verschiedene Effekte wie Strahlungsausbreitung, Konvektion, Strömungsmechanik (CFD) und die Feuchte-relevante Prozesse detailliert untersucht und bewertet werden. Ziel ist es, aus den Ergebnissen dieser aufwändigen FEM-Software Erweiterungen ("Plugins") für die bestehende LPM-basierte BPS-Software zu entwickeln. Der methodische Ansatz besteht im Vergleich der beiden Modelle (FEM vs. LPM) zur Identifikation relevanter Effekte, der kompaktifizierten Modellierung dieser Effekte und der Integration in die LPM-Modelle, um aus diesen erweiterten Modellen realitätsnähere Ergebnisse für die BPS zu erhalten, ohne die Simulationszeit wesentlich zu erhöhen. Dies stellt einen Beitrag zur Optimierung der Gebäudesimulation für Neu- und Altbauten dar, die in der Praxis für die klimaneutrale Gebäudeplanung immer wichtiger werden, auch mit Blick auf neue bauklimatische Anforderungen durch den Klimawandel.