Modellierung in NANDRAD
Im Installationsordner sind die Validierungsfälle 1 und 2 unter resources/examples/DIN_EN_13791 als vorgefertigte Projektdateien
Case1a.nandrad, Case1b.nandrad, ... Case2d.nandrad abgelegt.
Aufbau der NANDRAD-Datenstruktur
In NANDRAD wird zwischen verschiedenen Beschreibungsebenen unterschieden:
- NANDRAD Projektdatei: Diese beschreibt das Gebäude.
- Kontruktionsdatenbank: Diese enthält Beschreibungen für alle Wandschichtkonstruktionen im Gebäude.
- Materialdatenbank: Diese enthält Beschreibungen thermischer Eigenschaften aller Wandmaterialien.
- Klimadatenbank: Diese enthält Dateien für Außenklimabedingungen.
Im konkreten Fall sind die Projektdateien in Case1a.nandrad - Case2d.nandrad abgelegt. Die Konstruktionsdatenbank befindet
sich im Unterordner constructions, die Materialdatenbank in materials und die Klimadaten in climate.
Wandkonstruktionen
Die Wände für die Validierungsfälle wurden als nutzerdefinierte in NANDRAD umgesetzt. Hierbei wird die Wandkonstruktion als eindimensionaler Schichtverbund
über die Wanddicke gedeutet und durch drei Merkmale beschrieben: das Wandmaterial (referenziert über als eigene Textdatei in Materials), die Schichtdicke
(Discretization) und die Zuweisung des Wandmaterials zu den entsprechenden Wandschichten (Assignments).
Der entsprechende Ausschnitt aus der Konstruktionsdatei
für Fall 1 Case1a_1001.d6p ist im Folgenden aufgelistet.
<Materials>
<MaterialReference name="Case 1 Mat 1 (lambda=1.2)">
${Material Database}/Case1_Mat1_10001.m6
</MaterialReference>
</Materials>
<Discretization geometryType="2D">
<XSteps unit="m">0.2</XSteps>
</Discretization>
<Assignments>
<Assignment type="Material" location="Element">
<Reference>Case 1 Mat 1 (lambda=1.2)</Reference>
<Range>0 0 0 0</Range>
</Assignment>
</Assignments>
Die Konstruktion im Prüffall 1 enthält nur eine Wandschicht der Dicke von 20 cm, erkennbar an den Schichtdicken in XSteps.
Die Zuweisung des Materials Case 1 Mat 1 (lambda=1.2) auf die entsprechende Materialschicht erfolgt durch das Assignment vom Typ
“Material”. Als Referenz dient der vorher festgelegte eindeutige Materialname und eine Bereichsangabe in Range. Dabei bezeichnet
Range die Position der Materialschicht im Schichtverbund von links unten nach rechts oben mit dem Index 0 beginnend.
Referenzierung von Wandkonstruktionen und Außenklima in der Projektdatei
Die Konstruktion wird innerhalb der Projektdatei für den Fall 1, Case1a.nandrad eingebunden. Dafür vorgehen ist der Abschnitt
Database, konkret der Unterabschnitt ConstructionTypeReferences.
Eine Konstruktionsdatei wird referenziert über ihren Dateipfad. Dabei ist die Verwendung von Platzhalterpfaden zulässig, wie hier der Alias
{Construction Database}. Voraussetzung ist, dass solche Platzhalter als absolute oder relative Pfade zur Projektdatei im Abschnitt
DirectoryPlaceholders definiert sind.
<DirectoryPlaceholders>
...
<Placeholder name="Construction Database">
${Project Directory}/constructions
</Placeholder>
...
</DirectoryPlaceholders>
...
<Database>
<ConstructionTypes>
<ConstructionTypeReference displayName="Case 1a">
${Construction Database}/Case1a_1001.d6p
</ConstructionTypeReference>
</ConstructionTypes>
</Database>
Des Weiteren wurde ein neuer Klimadatensatz erzeugt, der den gewünschten Außentemperaturverlauf ohne Berücksichtigung kurzwelliger Strahlungsanteile
nachbildet. Dieser ist in der Klimadatenbank als Binärdatei DIN_EN_ISO_13791_Fall01.c6b abgelegt. Der Unterordner wird analog zur Konstruktionsdatenbank
als Platzhalterpfad {Climate Database} im Abschnitt DirectoryPlaceholders adressiert. Der KLimadatensatz ist im Binärformat abgelegt und kann
mit dem CCM Editor gelesen und bearbeitet werden.
Im Abschnitt Location der Projektdatei erfolgt die Parametrisierung des Außenklimas und damit auch die Referenzierung der Klimadatei im Tag
ClimateReference.
<DirectoryPlaceholders>
...
<Placeholder name="Climate Database">
${Project Directory}/climate
</Placeholder>
...
</DirectoryPlaceholders>
...
<Location>
...
<ClimateReference displayName="DIN EN 13791 Case 1">
${Climate Database}/DIN_EN_ISO_13791_Fall01.c6b
</ClimateReference>
</Location>
Beschreibung der Gebäudegeometrie
Als Mehrzonenmodell deutet NANDRAD die Gebäudegeometrie als Netzwerk benachbarter Räume, Raumgruppen und Wände. Die Räume/ Raumgruppen werden hierbei
als Zonen unter dem Unterabschnitt Zones in der Projektdatei zusammengefasst, die Wände im Unterabschnitt ConstructionInstances.
Zum Zweck der späteren Referenzierung werden sowohl Zonen als auch Wände mit einer id-Nummer versehen, die für alle Gebäudekomponenten eindeutig sein muss.
Eine Zonen-Id-Nummer muss nicht nur innerhalb des Zonen-Blocks eindeutig sein, sondern sie darf auch nicht für Wände wiederverwendet werden. Im Validierungsfall
wird nur ein Raum betrachtet, welcher der Zone mit der Id-Nummer 1 entspricht. Das Attribut Active informiert das NANDRAD-Modell darüber, dass
für sie Zone eine thermische Bilanz gelöst werden soll, im Gegensatz beispielsweise zu Räumen mit konstanter Temperatur. Die Projektdatei registriert des Weiteren
sechs Raumumschließungskonstruktionen mit den Id-Nummern 2-7.
<Zones>
<Zone displayName="Pruefraum1" id="1" type="Active">
...
</Zone>
...
</Zones>
...
<ConstructionInstances>
<ConstructionInstance id="2">
...
</ConstructionInstance>
<ConstructionInstance id="3">
...
</ConstructionInstance>
<ConstructionInstance id="4">
...
</ConstructionInstance>
<ConstructionInstance id="5">
...
</ConstructionInstance>
<ConstructionInstance id="6">
...
</ConstructionInstance>
<ConstructionInstance id="7">
...
</ConstructionInstance>
</ConstructionInstances>
Im Gegensatz zu den Vorgaben der Norm berücksichtigt NANDRAD die thermische Trägheit der Raumluft.
Um dadurch verursachte thermische Verzögerungseffekte auszuschließen, werden Höhe und Raumgrundfläche auf annähernd 0 gesetzt und somit die Speicherkapazität
des Zonenvolumens minimiert. Die entsprechenden Parameter sind Teil der Zonencharakterisierung im Unterabschnitt Zone und in die Parameter mit Namen
Height und Area gekapselt. Der Typ IBK:Parameter erlaubt neben der Angabe konstanter Parameterwerte die Vorgabe einer konvertierbaren
Parametereinheit (auch Nicht-SI-Einheiten) und eine Größenbenennung.
<Zone displayName="Pruefraum1" id="1" type="Active">
<IBK:Parameter name="Height" unit="m">0.001</IBK:Parameter>
<IBK:Parameter name="Area" unit="m2">0.001</IBK:Parameter>
...
</Zone>
Die Wände sammeln in der Datenstruktur ConstructionInstance Eigenschaften der Wandgeometrie, den Konstruktionsaufbau und Informationen über die Anordnung
im Zonen-Wand-Netzwerk. Zu den Geometrieeigenschaften zählen zunächst der Wandorientierungswinkel auf der horizontalen Ebene (Orientation, 0° =
Norden, 90° = Süden), der vertikale Wandneigungswinkel (Inclination, 0° = horizontale Wand, 90° = vertikale Wand, 180° = nach unten gerichtete Wand )
und die Wandfläche (Area).
Im Tag ConstructionTypeID wird der Wandaufbau über eine eindeutige Id-Nummer referenziert. Diese Id-Nummer muss dabei einer Wandkonstruktion gehören,
die im Abschnitt Database unter ConstructionTypeReference aufgelistet wird. Die Wandkonstruktionen selbst sind allerdings in externe Datenbanken
ausgelagert, nur die Dateinamen sind auf der Ebene der Projektdatei bekannt. Daher wurde die Regel eingeführt, dass die Id-Nummer einer Wandkonstruktion als Suffix
an den zugehörigen Dateinamen angehangen wird. Die Id 1001 referenziert beispielsweise die Konstruktionsdatei Case1a_1001.d6p.
<ConstructionInstance id="2">
<IBK:Parameter name="Orientation" unit="Deg">0</IBK:Parameter>
<IBK:Parameter name="Inclination" unit="Deg">0</IBK:Parameter>
<IBK:Parameter name="Area" unit="m2">1</IBK:Parameter>
<ConstructionTypeID>1001</ConstructionTypeID>
<Interfaces>
<Interface id="8" location="A">
<ZoneID>0</ZoneID>
</Interface>
<Interface id="9" location="B">
<ZoneID>1</ZoneID>
</Interface>
</Interfaces>
</ConstructionInstance>
Die Wandoberflächen (Interfaces) bilden die Verbindungen zwischen Zonen und Wänden. Als eigenständige geometrische Komponenten sind sie mit einer Id-Nummer
versehen. Das Attribut location bestimmt, auf welcher Seite der Wandkonstruktion sich die entsprechende Oberfläche befindet. Dabei postiert der Wert "A"
die Oberfläche auf der linken, der Wer "B" auf der rechten Seite des Wandschichtaufbaus, wie er in der Konstruktionsdatei aufgelistet ist. Die Oberfläche
(Interface) mit der Id-Nummer 8 befindet sich entsprechend linksseitig der 20 cm dicken Konstruktionsschicht der Konstruktion Case1a_1001.d6p,
die Oberfläche mit der Id-Nummer 9 passend rechtsseitig. Die der Oberfläche angeschlossene Zone wird durch ihre eindeutige Id-Nummer im Tag ZoneID angegeben.
Dabei ist die Id-Nummer 0 zur Kennzeichnung des Außenklimas reserviert. Die linke Konstruktionsseite ist im konkreten Beispielfall folglich eine Außenoberfläche, die
rechte Seite eine Innenoberfläche zum einzigen Raum, die Wand selbst eine Außenwand.
In dem Beispielfall sind sechs Außenwände vorgesehen, welche allesamt gleichartig parametrisiert sind.
Beschreibung physikalischer Parameter
Zur vollständigen Parametrisierung des Simulationsfalles ist die Vorgabe von Startwerten sowie die Charakterisierung von Wärmeübertragungseigenschaften an den
Wandoberflächen notwendig. Da im Normfall für alle Wände und Wandoberflächen identische Eigenschaften gefordert sind, wird die Parametrisierung zentral innerhalb
der Projektdatei vorgenommen. Hierfür vorgesehen ist der Unterabschnitt ParametrizationDefaults, welcher individuell überschreibbare Standardeigenschaften
zur Verfügung stellt. Der Modus (mode) muss hierfür auf Lazy gesetzt sein.
<ParametrizationDefaults mode="Lazy">
<IBK:Parameter name="InitialTemperature" unit="C">20</IBK:Parameter>
<IBK:Parameter name="HeatTransferCoefficient" unit="W/m2K">2.5</IBK:Parameter>
<IBK:Parameter name="Ambient.HeatTransferCoefficient" unit="W/m2K">8</IBK:Parameter>
<IBK:Parameter name="AbsorptionCoefficient" unit="---">0.0</IBK:Parameter>
<IBK:Parameter name="Ambient.AbsorptionCoefficient" unit="---">0.0</IBK:Parameter>
</ParametrizationDefaults>
Als vorgegebene Standardparameter liefert die Projektdatei Starttemperaturen für die Raumluft und die Wandkonstruktionen (InitialTemperature), einen konstanten
Wärmeübergangskoeffizienten für alle Innenoberflächen (HeatTransferCoefficient) und Außenoberflächen (Ambient.HeatTransferCoefficient), den
Absorptionskoeffizienten für kurzwellige Strahlung der Innenoberflächen (AbsorptionCoefficient) und für Solarstrahlung der Außenoberflächen
(Ambient.AbsorptionCoefficient). Für den Normfall wird die Solarstrahlungsberechnung deaktiviert, alle entsprechenden Koeffizienten sind auf Null gesetzt.
Neben der zentralen Parametrisierung ist auch die indivuelle Angabe von Wandoberflächeneigenschaften zulässig. Hierzu sei auf die
NANDRAD-Wiki-Seite verwiesen. Analog ist eine individuelle Vorgabe von Zonenstarttemperaturen
(siehe NANDRAD-Wiki-Seite ) und Wandtemperaturen
(siehe NANDRAD-Wiki-Seite ) möglich.
Anforderung von Simulationsausgaben
Simulationsausgaben erfolgen stets für eine Liste von geometrischen Komponenten gleichen Types (Zonen, Wandkonstruktionen, Oberflächen) oder Modellen, die allesamt
diesselbe Ausgabegröße anbieten. Diese Kompontenlisten werden in Form von Objektlisten (ObjectLists) erzeugt. Eine Objektliste besitzt einen eindeutigen Namen
(name), einen Typenkennzeichner (FilterType) und einen Id-Kennzeichner für alle Listenelemente (FilterID). Im Normfall werden Raumtemperaturen
verglichen. Daher ist die ANlage einer Objektliste für die Ausgabezone verpflichtend. Diese wird durch den Filtertyp Zone umschrieben und durch den npassenden
Id-Filter ausgewählt.
<ObjectLists>
<ObjectList name="Pruefraum1">
<FilterType>Zone</FilterType>
<FilterID>1</FilterID>
</ObjectList>
...
</ObjectLists>
Weitere mögliche Objekttypen sind auf der NANDRAD-Wiki-Seite gelistet, ebenso wie alternative
Id-Filterformate.
Zu jeder Objektliste können Ausgaben angefordert werden. Diese werden in der Projektdatei im Unterabschnitt Outputs spezifiziert. Jede Ausgabe ist durch
ein Zeitraster (OutputGrid) charakterisiert. Dieses kann eines oder mehrere Intervalle (Interval) besitzen, in denen unterschiedliche Ausgabezeitschritte
(StepSize) festgelegt sind. Für den vorliegenden Fall sind stündliche Simulationsausgaben zielführend, die StepSize wird auf den Wrt von 1 h gesetzt.
Der Name "Hourly" dient als Referenzname für das entsprechende Zeitraster.
<Outputs>
...
<OutputGrids>
<OutputGrid name="Hourly">
<Interval>
<IBK:Parameter name="StepSize" unit="h">1</IBK:Parameter>
</Interval>
</OutputGrid>
</OutputGrids>
<OutputDefinitions>
<OutputDefinition>
<OutputGridName>Hourly</OutputGridName>
<ObjectListName>Pruefraum1</ObjectListName>
<Quantity>AirTemperature</Quantity>
</OutputDefinition>
...
</OutputDefinitions>
</Outputs>
Die Ausgaben selbst werden durch Ausgabedefinitionen (OutputDefinitions) angefordert. Das Ausgabezeitraster wird über den Referenznamen (OutputGridName)
angegeben. Zusätzlich wird die Objektliste namentlich spezifiziert (ObjectListName), die alle auszugebenden Komponenten enthält, im konkreten Fall die einzige Zone
"Pruefraum1". Angefordert wird die Raumlufttemperatur "AirTemperature" als Ausgabegröße (Quantity).
Innerhalb der Initialisierung eines NANDRAD-Simulationslaufes werden alle verfügbaren Ausgabegrößen, also Werte für für Quantity, zusammen mit den passenden
Objekttypen in der Datei var/output_reference_list.txt abgelegt. Genaueres zur Ausgabe-Ordnerstruktur siehe nächster Abschnitt.
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