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Gekoppelte Gebäude- u. Lichtsimulation für komplexe Fassaden

Als Schwerpunkt im Projekt lightSIMheat galt es eine integrale thermische und lichttechnische Bewertung von Fassadensystemen innerhalb der dynamischen Gebäudesimulation umzusetzen und zu ermöglichen. Als Simulationsumgebungen als Basis wurden hierfür die am Markt etablierten Programme TRNSYS (thermisch-dynamische Mehrzonengebäudesimulation) sowie RADIANCE (Tageslichtsimulation) herangezogen. Beide Programme zeichnen sich durch eine sehr hohe Flexibilität in der Anwendung sowie in einem hohen Detaillierungsgrad in der Modellierung aus, wodurch sie in der forschungsnahen Anwendung sehr stark verbreitet sind.

Parallel zum zunehmenden Trend der Entwicklung vereinfachter Tools für Anwender und Planer in der Praxis, galt das vorrangig Ziel in lightSIMheat der (Weiter-)Entwicklung von Modellen und Werkzeugen für den Experten-Anwender. So konnten im Projekt durch die aktive Kooperation mit Transsolar (Entwickler und Vertreiber von TRNSYS) ein neu implementiertes Modell für die detaillierte thermische Modellierung komplexer Verglasungssysteme in Type56 (Multizonen-Gebäudemodell) als Beta-Tester weiterer entwickelt werden.

Im Bereich der lichttechnischen Modellierung konnten durch hervorragende Kontakte innerhalb des Konsortiums mit den Entwicklern von RADIANCE die neuesten Methoden zur effizienten und sehr detaillierten Tageslichtjahressimulation gegeneinander geprüft und validiert werden. So wurde die in RADIANCE 5.0 neu implementierte Methode des Photon Mapping hinsichtlich einer Nutzbarkeit für die Anwendungen in lightSIMheat untersucht. Ebenso wurden im Projekt Methoden zur genaueren Abbildbarkeit speziell von hochreflektierenden Tageslichtlenksystemen untersucht (Tensor-Tree-BSDFs) und durch Vergleiche mit „standardisierten“ Verfahren hinsichtlich deren Eignung für lightSIMheat bewertet. Am Projektende wurde zusätzlich die verwendete 3-Phasen-Methode zur effizienten Jahressimulation komplexer Fassadenelementen in RADIANCE gegen die detailliertere 5-Phasen-Methode verglichen, dessen Ergebnisse Anstoß für fortführende Entwicklungen bietet.

Für die Entwicklung der der gekoppelten Simulationsroutine bildeten die detaillierten Vorarbeiten in der thermischen und lichttechnischen Modellierung wesentlichen Input. Ausgehend von einem erstmalig umgesetzten Kopplungskonzept zwischen TRNSYS und RADIANCE, welches noch im Vorgängerprojekt „LichtausFassade“ umgesetzt wurde, erfolgte die schrittweise Einarbeitung der neuen Modelle. Als entscheidende Verbesserung konnte mit der überarbeiteten Kopplungsroutine eine deutlich verbesserte Laufzeit für eine Ganzjahressimulation erreicht werden, ohne dass dabei Einbußen im Detailgrad der Modellierung sowie der Ergebnisdarstellung hingenommen werden mussten.

Zusätzlich zu den detaillierten Methoden wurden im Projekt auch vereinfachte Ansätze untersucht und gegen die detaillierten Verfahren verglichen. So beschäftigte sich ein eigenes Arbeitspaket rein mit der Entwicklung eines vereinfachten Berechnungsalgorithmus zur Bewertung des Tageslichteintrages auf Basis von Klimadaten nach Monatsbilanzen. Dies stellt ein neuartiges Verfahren dar und kann als Methodik flexible in vorhandene Planungstools auf monatsbasierter Bewertung implementiert werden. Dem vorangegangen sind umfangreiche Sensitivitätsanalysen, auf Basis dessen der Einfluss einzelner Parameter auf die Genauigkeit der Modellierung des Tageslichtangebots herausgearbeitet wurde.

Ergänzend zur numerischen Modellentwicklung wurde in einem eigenständigen Arbeitspaket der g-Wert – sowohl aus Sicht einer reinen Bewertungsgröße, als auch in Form einer Modellinputgröße – bewertet und analysiert. Mit einem variablen g-Wert als zweidimensional abhängige Größe vom solaren Einstrahlwinkel wurden vereinfachte Modellansätze zur thermischen Abbildung von Lamellensystemen in TRNSYS implementiert. Als Modellinput kann hierzu ein interpoliertes g-Wert Raster in flexibler Diskretisierung verwendet werden, welches auf Messdaten beruht. Ein simulationsgestütztes Messverfahren, welches auf Basis der Vermessung einzelner Messpunkte eine vollständiges g-Wert Raster erzeugt, wurde hierzu geprüft. Ergänzend dazu wurden erste Konzepte für ein verbessertes Interpolationsverfahren auf Basis eines physikalischen Modells überlegt und erarbeitet. Somit können Modellinputgrößen basierend auf Messdaten an einem realen System und unabhängig von detaillierten Herstellerangaben für eine thermische Bewertung zur Verfügung gestellt werden. Unsicherheiten in den Angaben sowie Abweichungen von idealen Annahmen können somit ausgeschlossen werden.

In diesem Zusammenhang und im Zuge der Fehleranalyse und Verbesserung des stationären g-Wert Prüfstandes ist zudem Idee und Konzept für ein mobil anwendbares Messgerät zur Bestimmung von in-situ Betriebs-g-Werten entstanden. Ursprünglich nicht im Projektantrag vorgesehen, konnte durch genehmigte Mittelumschichtung ein Prototyp innerhalb des Projektes entwickelt und getestet werden.

Neben den der Entwicklung der Simulationsmethoden bildete die Fragestellung einer umfassenderen Bewertbarkeit insbesondere von Tageslichtlenksystemen einen weiteren Schwerpunkt im Projekt. Ausgehend von der etablierten Bewertungsgröße des Energiedurchlassgrades transparenter Fassadeflächen (g-Wert) wurde versucht, eine aussagekräftigere Jahresbewertung durch getrennte Betrachtung von Sommer- und Winterfall zu erreichen. Die Entwicklung des in-situ Messgerätes trägt dabei zusätzlich durch eine mögliche Bewertung bereits verbauter Verglasungen bei.

In Form von Fallstudien erfolgte schließlich eine Validierung und Prüfung der zum entwickelten Methoden und Modelle. Ident zur getrennten Modellentwicklung (lichttechnisch, thermisch) erfolgte ebenso die Validierung in getrennter Form. Die Funktionsweise und Plausibilität der gekoppelten Routine wurde schließlich in Form einer umfassenden Simulationsstudie bewertet. Auf Basis eines Standard-Referenzraumes wurden unterschiedliche Systeme zur Tageslichtnutzung gegenüber herkömmlichen Verschattungssystemen verglichen. Die Ergebnisse daraus sind ebenso als Erkenntnis aus dem Projekt zu bewerten und zeigen die Leistungsfähigkeit von Tageslichtlenksystemen unter unterschiedlichen Situationen auf.

Ausgangssituation

In der Antragstellung des abgeschlossenen Projektes „lightSIMheat“ wurde gezielt auf den herrschenden Mangel an verfügbaren Tools und Werkzeugen hingewiesen sowie die neuen Anforderungen an Bewertungstools für solche Programme dargestellt. Mit der klaren Ausrichtung von „lightSIMheat“ als „Simulationsprojekt“ zur gezielten Modell- und Toolentwicklung konnte fokussiert an diesem Thema gearbeitet werden. Durch die Validierung der entwickelten Methoden bis hin zur Integration in etablierte Simulationstools wie TRNSYS, konnte so wertvolle Entwicklungsarbeit für das Arbeitsfeld der dynamischen Gebäudesimulation geleistet werden. 

Im Laufe der Projektlaufzeit zeigte sich ebenso eine stark ansteigende Entwicklungsdynamik auf diesem Gebiet, wodurch mittlerweile auf mehrere wissenschaftliche Publikationen und Entwicklungen verwiesen werden kann. Durch den fachlichen Austausch auf Konferenzen und Fachtagungen sowie Teilnahmen auf mehreren Fachworkshops war man als Konsortium bestrebt, inhaltlich davon zu profitieren und durch Zusammenarbeit die eigene Position zu stärken. Neben den entstandenen fachlichen Entwicklungen wurden während des Projektverlauf so entscheidende und wertvolle Kontakte geknüpft, welche ebenso als ein Erfolg des abgeschlossenen Projektes „lightSIMheat“ bewertet werden können

Projektverlauf

In einer 1.  Analysephase wurde das Thema g-Wert und thermischen Modellierung einer komplexen Fassade bearbeitet. Ausgehend von einer umfassenden Analyse auf physikalischen Prinzipien (Transmission, sekundäre Wärmeabgabe, Einflussparameter auf den g-Werte) wurde der g-Wert im Projekt sowohl in seiner ursprünglichen Funktion als Bewertungsgröße des gesamtenergetischen Eintrages und im weiteren Verlauf als Inputparameter für die thermische Simulation verwendet. Dazu wurde die Definition des stationären g-Wertes erweitert und als variable, zweidimensional vom solaren Einstrahlwinkel abhängige Größe verwendet. Die für die spätere detaillierte Modellierung maßgeblichen Algorithmen nach ISO15099 wurden im Detail auf deren Anwendbarkeit auf komplexe, lichtlenkende Fassadensysteme analysiert und anhand durchgeführter Messreihen am stationären g-Wert Prüfstand auf deren Validität überprüft. Ergebnis aus den Forschungsarbeiten in AP2 war zudem die Idee, Konzept und Prototyp eines neuartigen Messverfahrens zur In-Situ Bestimmung von „Betriebs“-g-Werten an bereits verbauten Verglasungssystemen.

Die Subschwerpunkte in der 2. Arbeitsphase bildete die Ausarbeitung und Optimierung von Modellen zur detaillierten lichttechnischen Modellierung (AP3) sowie zur detaillierten thermischen Modellierung (AP4) von komplexen Verglasungen mit Lamellensystemen. In beiden Arbeitspaketen wurden zum einen vorhandene Methoden und Modelle auf deren Eignung zur Implementierung in die Methoden von lightSIMheat überprüft, mit den neu gewonnenen Erkenntnissen optimiert sowie auch neue Ansätze entwickelt und weiterverfolgt. Dabei war es wichtig, neben der Verbesserung der Detailgenauigkeit in der Simulation weiterhin eine effiziente Jahressimulation sowie die Verfügbarkeit der notwendigen Modellinputdaten zu gewährleisten.

Nach der abgeschlossenen Ausarbeitung der modellierungstechnischen Details zur thermischen und lichttechnischen Charakterisierung wurden diese in der 3. Arbeitsphase zur gekoppelten Simulationsroutine (AP5) zusammengefasst. Hier lag der Schwerpunkt der Entwicklung in einer möglichst recheneffizienten und modularen Umsetzung der Routine, um später auch die Bewertung solcher Fassadensysteme innerhalb eines dynamischen Mehrzonen-Raummodells ermöglicht. Weiters wurde in der 3. Arbeitsphase erstmals ein vereinfachtes Berechnungsverfahren für Tageslichtberechnungen (AP6) ausgearbeitet, mit dessen eine Bewertung des Tageslichteintrages auch für nicht-stundenbasierte Verfahren (z.B. Monatsbilanzverfahren) erfolgen kann. Eine durchgeführte Parameterstudie unterstützte hierbei, sensible Einflussparameter auf den Tageslichteintrag zu eruieren, um so die entscheidenden Faktoren für eine hinreichend genaue Tageslichtmodellierung zu bestimmen.

Schließlich wurden die entwickelten Methoden in der 4. Und letzten Arbeitsphase durch messtechnische und simulationstechnische Fallstudien (AP7) einer Anwendung bzw. Erprobung der Funktionstauglichkeit unterzogen werden. Verfügbare Messdaten aus durchgeführten Messreihen an realen Systemen wurden zur Validierung der erarbeiteten Modelle verwendet. Eine umfangreich durchgeführte Simulationsstudie mit der entwickelten Kopplungsroutine ARTLIGHT anhand eines definierten Referenzraumes zeigt die Möglichkeiten und Vorteile der gekoppelten Simulation gegenüber einer konventionellen (nicht-)gekoppelten Betrachtung auf. Durch Simulation mehrerer Tageslichtlenksysteme gegenüber einem herkömmlichen Raffstore an unterschiedlichen Standorten, werden Potentiale und Einsatzkriterien für Tageslichtlenksysteme ausgearbeitet und dargestellt.

Meilensteine
1 Messmethode zur Bestimmung der Kennwerte entwickelt
2 Messanlage adaptiert
3 Himmelsmodell evaluiert und adaptiert
4 Diskretisierung Himmel/BSDF überarbeitet
5 Thermische Modelle umgesetzt und validiert
6 Thermisches Modell in TRNSYS implementiert
7 Ansätze für gekoppelte Simulation implementiert, getestet und optimiert
8 Vereinfachter Berechnungsalgorithmus aufgestellt, getestet und bewertet
9 Verschiedene Fallstudien evaluiert und optimiert
Ergebnisse

AP2: Asymmetrischer g-Wert

 

  • Optimierter Betrieb des g-Wert Prüfstandes und Konzeptentwurf zur simulationsgestützten Vermessung zweidimensionaler g-Werte als Kennzahl für komplexe Fassaden
  • Entwicklung eines neuartigen Messverfahrens zur in-situ Bestimmung von Betriebs-g-Werten an komplexen Fassaden im verbauten Zustand
  • Erarbeitetes Kriterium für Kennzahldefinition zur verbesserten Bewertung komplexer Fassaden

 

AP3: Lichttechnische Modellierung

 

  • Himmelsmodell optimiert
  • Photon-map Method geprüft und optimiert
  • Analyse und Darstellung der Potentiale der „variable resolution BSDFs“
  • Validierung der 3PM/5PM gegen Messdaten, Optimierung der 5-Phasen-Methode und Ausarbeiten der Vorzüge gegenüber der 3-Phasen-Methode

 

AP4: Thermische Modellierung

 

  • Optimierung des detaillierten BSDF/ISO-Modells und erfolgreiche stationäre Validierung gegen WINDOW7
  • Erfolgreiche Validierung des BSDF/ISO-Modells gegen stationäre Messungen und dynamisches Langzeit-Monitoring
  • Optimierte Umsetzung der vereinfachten Modellansätze und zufriedenstellende Validierung gegenüber dem BSDF/ISO-Modell
  • Erfolgreiche Implementierung aller Modell in die TRNSYS-Modellumgebung

 

AP5: Gekoppelte Simulation

 

  • Ausarbeitung und erfolgreiche Umsetzung eines recheneffizienten Algorithmus "ARTLIGHT" zur gekoppelten thermische und lichttechnischen Simulation mit TRNSYS und RADIANCE
  • Etablierung unterschiedlicher Detailierungsgrade und Multizonen-Kompatibilität

 

AP6: Simplified Tool

 

  • Erfolgreiche Ausarbeitung eines monatsbilanzbasierten Verfahrens zur Tageslichtberechnung
  • Zufriedenstellende Validierung gegen stundenbasierte Verfahren (z.B. AP5)

 

AP7: Fallstudien

 

  • Erfolgreiches Langzeit-Monitoring von 2 marktgängigen Fassadenprodukten
  • Erfolgreiche Simulationsstudie zur Validierung der ARTLIGHT-Kopplungsroutine

 

 

 

 

 

 

Steckbrief

Projektnummer
838718
Koordinator
Universität Innsbruck Institut für Konstruktion und Materialwissenschaften
Projektleitung
Wolfgang Streicher, wolfgang.streicher@uibk.ac.at
Partner
Bartenbach GmbH
SFL technologies
Schlagwörter
Energieeffizienz Modellierung Simulation Tageslichtlenkung
Förderprogramm
Energieforschung (e!MISSION)
Dauer
05.2013 - 12.2016
Budget
563.273 €