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Dynamische Gebäude- und Anlagensimulation mit TRNSYS

Industrie und Bauwesen

auf Anfrage

Dipl.-Ing. (FH) Hannes Rosenbaum

+49-351-4081-5324

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Wissenschaftliche Analyse thermodynamischer Prozesse in Gebäuden und Anlagen

TRNSYS allgemein

TRNSYS (TRaNsient SYstem Simulation Program) ist ein Programm zur dynamischen Systemsimulation, basierend auf numerischen Routinen zur Lösung partieller Differentialgleichungssysteme. Es ermöglicht die Bilanzierung instationärer Prozesse in “beliebiger” Zeitschrittauflösung. Das ILK Dresden nutzt TRNSYS für Berechnung sowohl einfacher Wärmetransport- und Wärmespeichervorgänge als auch komplexer Gebäude- und Anlagenmodelle im Mehrzonenmodell.

Thermische Simulationen von Mehrzonen- Gebäudemodellen

…ermöglichen die Berechnung zeitlich aufgelöster und statistisch auswertbarer (dynamischer) Verläufe von:

Luftzustandsgrößen (Temperatur- und Feuchte) und Oberflächentemperaturen
sensiblen und latenten Lasten (Heizlast, Kühllast,…)
Energieströmen und Bilanzen zwischen benachbarten Zonen
Wetter- und Strahlungsdaten, sowie deren Wirkung auf die Zonen und einzelne Bauteile des Gebäudes

…unterstützen Planungsprozesse oder FuE-Aufgaben und beantworten wichtige Fragestellungen, wie:

dynamisches Verhalten von Raum bzw. Zone
Einfluss bauphysikalischer und konstruktiver Bauteileigenschaften der Gebäudehülle
Über- und Unterschreitungshäufigkeiten vorgegebener Sollwerte
gebäudebezogene Schaltkriterien für Regelkreise (bspw. Heizgrenztemperatur)
Wirkung zusätzlicher thermischer (sensibler und/oder latenter) Speichermassen in Raum oder Bauteil (z.B. PCM in Raumumschließungsflächen/Wänden)
Vergleich unterschiedlicher Sonnenschutz- und Verschattungseinrichtungen einschließlich deren Ansteuerung

Das Gebäudemodell berücksichtigt zudem die Gebäudestruktur (Geometrie, Bauteileigenschaften, Standort bzw. Wetterdaten), das Nutzungsprofil sowie Anforderungs- und Lastprofile. Es wird ergänzt durch aktive Bauelemente und individuell programmierte Inputs.

Die numerischen Routinen von TRNSYS basieren auf normierten Berechnungsverfahren (u.a. DIN EN ISO 13791 und DIN EN ISO 13792)

Statistische Verteilung (h/a) momentaner Kühllasten, sowie maximale Kühllast und Jahres-Nutz-Kühlenergiebedarf (14m² Einzelbüro, Standort Hamburg): Einfluss der Gebäudehülle sowie des Einsatzes von PCM in statischen Bauteilen.

Kombinierte dynamische Gebäude- und Anlagensimulationen

…basieren auf einer Erweiterung des Gebäudemodells um Anlagenmodelle (mathematisch oder modular) und

…ermöglichen vertiefende Analysen und Detailuntersuchungen unter Berücksichtigung der Interaktion zwischen Anlage(n) und Gebäude/Zone(n).

Komplexes TRNSYS-Modell für konkretes Verwaltungsgebäude: 7 Zonen unterschiedlicher Nutzung mit jeweils anderen Klimatisierungsszenarien/Anlagenkonfigurationen (Vorgabe geometrischer und bauphysikalischer Daten, Lichtsteuerung und Verschattung, Nutzungs- und Belegungsprofile, Anlagenleistungen, Ein-und Ausschaltbedingungen für Anlagen und Anlagenkomponenten, Standort/ Wetterdaten, Sollwerte)

Kombinierte Gebäude- und Anlagensimulation beinhalten üblicherweise die Berechnung:

zeitlicher Verläufe von Leistungsanforderungen an eine Anlage oder deren Komponenten
von End- und Primärenergiebedarfe (Jahresgang und Summenwerte) als Vergleichskennwerte bspw. für die Gegenüberstellung verschiedener Anlagenkonfigurationen
zeitlicher Veränderungen von Oberflächentemperaturen und Luftzustandsgrößen (Temperatur- und Feuchte) oder anderer Istwerte in Abhängigkeit von den Leistungsparametern der modellierten Anlagen
von Über- und Unterschreitungshäufigkeiten vorgegebener Sollwerte

Jahresverläufe Raumlufttemperatur und –feuchte, Heizleistung im RLT-Gerät mit Wärmerückgewinnung von 45% für ein Einzelbüro, modelliert nach DIN V 18599-10 ohne Feuchteanforderung und ohne Kühlung; Mindestluftwechsel bei Belegung nach DIN EN 15251

Thermisches Anforderungsprofil (hier Häufigkeit erforderlicher Luftzustandsänderungen eines Luftheiz- und –befeuchtungssystems in Abhängigkeit vom Grad der Wärmerückgewinnung) zur Einhaltung hygienischer Mindeststandards (mindestens 20°C und 30 % r.F.) im Nutzungszeitraum eines Büros

Die Ergebnisse der Gebäude- und Anlagensimulation helfen:

bei der Bewertung der Funktionalität und Wirkungsweise unterschiedlicher Gebäude-Anlagen-Konzepte bzw. Energiekonzepte, im Hinblick auf Energieeffizienz und Nachhaltigkeit
der Analyse des Einflusses unterschiedlicher Anlagenkonfigurationen, Anlagenleistungen und/oder Regelungsszenarien auf das thermische Verhalten des Gebäudes
der Ermittlung des Anforderungsprofils für einzelne Anlagenkomponenten
dem ILK bei der zur Entwicklung klimatechnischer Komponenten in FuE-Projekten

Detailuntersuchung zur Wirkungsweise eines PCM-Lüftungsgerätes mit Bypass im Sommer und Winter: Temperatur- und Lastverläufe (exemplarische 24-Stunden-Trends aus der Jahressimulation eines Büroraumes) bei Bypass-Aktivierung ab Unterschreitung der Außentemperatur von 5 bzw. 15°C

Das ILK Dresden setzt die dynamische kombinierte Gebäude- und Anlagensimulation mit TRNSYS auch zur gezielten Ermittlung von Randbedingungen für Strömungssimulationen ein. Im Ergebnis der kombinierten Gebäude- und Anlagensimulation positiv bewertete Energiekonzepte oder Anlagenkonzeptionen können somit – beispielsweise unter dem Gesichtspunkt der thermischen Behaglichkeit (Strömungsgeschwindigkeiten, Temperaturverteilung, Zugluftrisiko) – vertiefend analysiert und bewertet werden.

Anlagensimulationen

…können auch losgelöst vom Gebäude erfolgen – beispielsweise wenn anstelle eines Gebäudes oder Raumes das dynamische Verhalten einer Anlage im Vordergrund steht. Für die Modellierung stehen dem ILK Dresden sowohl TRNSYS-Standard-Types, als auch TESS-Models zur Verfügung. Auch eine mathematische Modellierung regelungstechnischer oder thermodynamischer Zusammenhänge über Kennlinienmodelle und Größengleichungen ist möglich.

Einsatziele der Anlagensimulation im Fall des ILK sind:

Abbildung des thermischen Verhaltens einer neu entwickelten Komponente oder eines konkreten Betriebsszenarios oder Regelungsregimes
Abgleich der Simulationsergebnisse mit Messdaten unter Berücksichtigung thermischer, zeitlicher und regelungstechnischer Randbedingungen der Messung
Simulation des zu erwartenden Verhaltens und Prognose möglicher Effekte (Energiebedarfe oder –erträge, Häufigkeit etwaiger „worst-case“-Szenarien) der modellierten Anlage bei veränderten Randbedingungen
Ableitung möglicher Optimierungspotentiale