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Gebäudegeometrie

Das Gebäude wurde durch das graphische Werkzeug BIM HVACTool modelliert. Es besteht aus 28 Räumen, alle gekapselt in je eine thermische Zone, davon 23 Zonen beheizt und gekühlt, sowie 255 Wandflächen. Es handelt sich um ein Gebäude mit Mischnutzung, Geschäftsräume sind in den oberen Geschossen und im Erdgeschoss ein Empfangsraum sowie eine gastronomische Einrichtung untergebracht.


Gebäudegeometrie

(Auf das Diagram zum Vergrößern klicken)

Die Konstruktion weist einen hohen Anteil an Glasflächen auf, so ist zum Beispiel ein nach Osten ausgerichteter Wintergarten im zweiten Obergeschoss vorgesehen.

Die Geometrierstellung ist in einem Tutorial erklärt. Mit Hilfe des NANDRAD-Datenexportes wurde das Gebäude in eine simulationstaugliche Datei überführt. Diese befindet sich im Installationsverzeichnis unter resources/examples/Bedarfsberechnung/projectFile.nandrad.

Nutzerverhalten

Das Nutzerverhalten wird in NANDRAD durch konstante und zeitplangesteuerte Raumnutzungeigenschaften beschrieben, hierzu zählen ebenfalls Bedarfsanforderungen für Heizung und Kühlung.

Ideale Heizung/Kühlung

Anforderungen für ideal geregelte Heizung und Kühlung werden für verschiedene Raumnutzungsgruppen (SpaceTypes) definiert. SpaceTypes erlauben neben der Definition konstanter Parameter (IBK:Parameter) auch String-Parameter (IBK:String). Durch die String-Parameter CoolingControlMode und HeatingControlMode wird im speziellen Fall eine ideale Heizung oder Kühlung aktiviert. Für beide Parameter sind die Werte None (keine Heizung/Kühlung), AirTemperature (Heizung/Kühlung mit Regelung der mittleren Raumlufttemperatur) und OperativeTemperature (ideale Heizung und Kühlung mit Regelung der Empfindungstemperatur) möglich.

	
<SpaceTypes>
  <SpaceType name="Besprechung">
    ...
    <IBK:String name="CoolingControlMode">AirTemperature</IBK:String>
    <IBK:String name="HeatingControlMode">AirTemperature</IBK:String>
    ...
  </SpaceType>
</SpaceTypes>
...
<Zones>
  ...
  <Zone displayName="Buero102" id="8" type="Active">
    <SpaceTypeName>Besprechung</SpaceTypeName>
    ...
  </Zone>
</Zones>
    
	

Jeder Raum wird einem Raumnutzungtyp zugeordnet. Dabei wird der SpaceType direkt über seinen Namen im Tag SpaceTypeName innerhalb der Zone referenziert. Der Raum Buero102, definiert im Zones-Tag, referenziert den Raumnutzungstyp Besprechung. Dieser Raumnutzungstyp fordert eine Heizlast- und Kühllastregelung nach der Raumlufttemperatur an. Ideale Heizung und Kühlung sind somit für den Raum Buero102 aktiviert.

Die Temperaturanforderungen für Heizung und Kühlung variieren für den Besprechungsraum im Tagesverlauf und werden über Zeitpläne (Schedules) definiert. Möglich sind mehrere Gruppierungen von Zeitplänen (ScheduleGroup), die beispielsweise eine grundsätzliche Unterteilung in Sommer und Winter erlauben, um Heizung und Kühlung beispielsweise auszuschalten. Im vorliegenden Beispiel wird nur eine ganzjährige Definition verwendet.

Jede Gruppe enthält Parameter für den entsprecehnden Raumnutzungtyp, hier als SpaceTypeGroup mit dem passenden Referenznamen (spaceTypeName) gekennzeichnet. Sobald ideale Heizung und Kühlung aktiviert sind, ist eine Aufnahme der entsprechenden Raumnutzungsgruppe in die Zeitplanliste und eine Definition von Setpoint-Temperaturen zwingend! Im hier angeführten Beispiel müssen für den Raumnutzungstyp Besprechung Hiezsolltemperatur (HetaingSetPointTemperature) und Kühlsolltemperatur (CoolingSetPointTemperature) über die gesamte Heiz- und Kühlperiode definiert sein.

	
<Schedules>
  <ScheduleGroup>
    <SpaceTypeGroup spaceTypeName="Besprechung">
      <Schedule type="AllDays">
        <DailyCycle>
          <Interval>
            <IBK:Parameter name="End" unit="h">24</IBK:Parameter>
            ...
            <IBK:Parameter name="HeatingSetPointTemperature" unit="C">17</IBK:Parameter>
            <IBK:Parameter name="CoolingSetPointTemperature" unit="C">100</IBK:Parameter>
            ...
          </Interval>
        </DailyCycle>
      </Schedule>
      <Schedule type="WeekDay">
        ...
        <DailyCycle>
          <Interval>
            <IBK:Parameter name="End" unit="h">5</IBK:Parameter>
            <IBK:Parameter name="CoolingSetPointTemperature" unit="C">28</IBK:Parameter>
            <IBK:Parameter name="HeatingSetPointTemperature" unit="C">17</IBK:Parameter>
          </Interval>
          <Interval>
            <IBK:Parameter name="End" unit="h">18</IBK:Parameter>
            <IBK:Parameter name="CoolingSetPointTemperature" unit="C">24</IBK:Parameter>
            <IBK:Parameter name="HeatingSetPointTemperature" unit="C">21</IBK:Parameter>
          </Interval>
          <Interval>
            <IBK:Parameter name="End" unit="h">24</IBK:Parameter>
            <IBK:Parameter name="CoolingSetPointTemperature" unit="C">28</IBK:Parameter>
            <IBK:Parameter name="HeatingSetPointTemperature" unit="C">17</IBK:Parameter>
          </Interval>
        </DailyCycle>
        ...
    </SpaceTypeGroup>
  </ScheduleGroup>
</Schedules>
    
	

Die klimatischen Anforderungen können je nach Zeitplannutzung für verschiedene Wochentage variieren. Daher werden verschiedene Zeitpläne (Schedule) für einen Raumnutzungstyp erlaubt. Möglich sind dabei die Typen (type) AllDays (jeder Tag der Woche), WeekDay (alle Wochentage), WeekEnd (Wochenende), Holidays (Feiertage) und alle Wochentage einzeln (Monday /Tuesday/Wednesday/Thursday/Friday/Saturday/ Sunday). Detailliertere Zeitdefinitionen überschreiben hierbei allgemeinere. Der Zeitplan _WeekDay setzt also den Zeitplan AllDays zu allen Wochentagen außer Kraft.

Der eigentliche Tagesverlauf (DailyCycle) wird durch mehrere aufeinanderfolgende Tagesintervalle, beginnend um 0:00 Uhr beschrieben. Der Endzeitpunkt eines jeden Tagesintervalls ist mit dem IBK:Parameter End markiert. Somit verläuft der Beispielplan für den Besprechungsraum wochentags innerhalb dreier Intervalle: 0:00 - 5:00 Uhr, 5:00 Uhr - 18:00 Uhr, 18:00 - 24:00 Uhr. Am Wochenende gilt nur ein ganztägiges Intervall.

Die Zeitplangrößen für ideale Heizung und Kühlung (HeatingSetPointTemperature und CoolingSetPointTempertaure) müssen innerhalb der Nutzungsperioden vollständig definiert werden. Im Beispiel wird wochentags der Besprechungsraum von 5:00 - 18:00 Uhr temperiert und eine Temperatur zwischen 21 °C und 24 °C angefordert. Die restlichen Perioden dienen der Temperaturerhaltung, die Solltemperaturen für die Heizung ist auf 17 °C abgesenkt und für die Kühlung auf 28 °C erhöht. Ideale Heizung und kühlung liefern hierbei nur jeweils positive bzw. negative Lasten, eine Überschreitung der Heizsolltemperatur wird also bis zur CoolingSetPointTemperature zugelassen und umgekehrt eine Raumluftabkühlung bis zur HeatingSetPointTemperature. Daher wird sich bei idealem Verhalten eine Temperatur zwischen beiden Grenzwerten einstellen.

Raumnutzung

Die Raumnutzung erzeugt Wärmelasten durch Personenaktivität, die Nutzung elektrischer Geräte und elektrisches Licht. Ähnlich wie bei der Heiz- und Kühllastbedarfsrechnung werden diese Eigenschaften über die Raumnutzungsgruppen aktiviert. Für die Bekanntgabve einer Personenbelegung ist die Angabe einer Maximalzahl von Personen/Raumflächeneinheit (MaximumPersonPerArea) größer als 0 zwingend. Wärmelasten durch elektrische Geräte finden Berücksichtigung, sobald eine maximal verfügbare elektrische Leistung pro Raumflächeneinheit (EquipmentELectricInputPower) angegeben wird. Dasselbe gilt für Lichtlasten (IBK:Parameter LightingElectricInputPower). Zusätzlich müssen langwellig und kurzwellig abgegebene Strahlungsanteile der Gesamtleistung angegeben werden (langwellig: LightingTHermalRadiationFraction, kurzwellig: LightingVisibleRadiationFraction). Alle verbleibenden ANteile werden als konvektive Wärmeanteile dem Raum zugeschlagen.

Im vorliegenden Beispiel werden für die Lasteberechnung im Besprechungsraum Personenbelegung, elektrische Geräte und elektrisches Licht aktiviert.

	
<SpaceTypes>
  <SpaceType name="Besprechung">
    ...
    <IBK:Parameter name="MaximumPersonPerArea" unit="Person/m2">0.333</IBK:Parameter>
    <IBK:Parameter name="EquipmentElectricInputPower" unit="W/m2">2</IBK:Parameter>
    <IBK:Parameter name="LightingElectricInputPower" unit="W/m2">10.75</IBK:Parameter>
    <IBK:Parameter name="LightingThermalRadiationFraction" unit="---">0.42</IBK:Parameter>
    <IBK:Parameter name="LightingVisibleRadiationFraction" unit="---">0.18</IBK:Parameter>
    ...
  </SpaceType>
</SpaceTypes>
...
<Schedules>
  <ScheduleGroup>
    <SpaceTypeGroup spaceTypeName="Besprechung">
      <Schedule type="AllDays">
        <DailyCycle>
          <Interval>
            <IBK:Parameter name="End" unit="h">24</IBK:Parameter>
            ...
            <IBK:Parameter name="OccupancyRate" unit="---">0</IBK:Parameter>
            <IBK:Parameter name="LightingUtilizationRatio" unit="---">0</IBK:Parameter>
            <IBK:Parameter name="EquipmentUtilizationRatio" unit="---">0</IBK:Parameter>
            <IBK:Parameter name="ThermalEnergyLossPerPerson" unit="W/Person">0</IBK:Parameter>
            <IBK:Parameter name="TotalEnergyProductionPerPerson" unit="W/Person">0</IBK:Parameter>
            ...
          </Interval>
        </DailyCycle>
      </Schedule>
      <Schedule type="WeekDay">
        ...
        <DailyCycle>
          <Interval>
            <IBK:Parameter name="End" unit="h">8</IBK:Parameter>
            <IBK:Parameter name="OccupancyRate" unit="---">0</IBK:Parameter>
            <IBK:Parameter name="EquipmentUtilizationRatio" unit="---">0</IBK:Parameter>
          </Interval>
          <Interval>
            <IBK:Parameter name="End" unit="h">11</IBK:Parameter>
            <IBK:Parameter name="OccupancyRate" unit="---">0.63</IBK:Parameter>
            <IBK:Parameter name="EquipmentUtilizationRatio" unit="---">0.63</IBK:Parameter>
          </Interval>
          <Interval>
            <IBK:Parameter name="End" unit="h">13</IBK:Parameter>
            <IBK:Parameter name="OccupancyRate" unit="---">0.13</IBK:Parameter>
            <IBK:Parameter name="EquipmentUtilizationRatio" unit="---">0.13</IBK:Parameter>
          </Interval>
          <Interval>
            <IBK:Parameter name="End" unit="h">16</IBK:Parameter>
            <IBK:Parameter name="OccupancyRate" unit="---">0.63</IBK:Parameter>
            <IBK:Parameter name="EquipmentUtilizationRatio" unit="---">0.63</IBK:Parameter>
          </Interval>
          <Interval>
            <IBK:Parameter name="End" unit="h">24</IBK:Parameter>
            <IBK:Parameter name="OccupancyRate" unit="---">0</IBK:Parameter>
            <IBK:Parameter name="EquipmentUtilizationRatio" unit="---">0</IBK:Parameter>
          </Interval>
        </DailyCycle>
        <DailyCycle>
          <Interval>
            <IBK:Parameter name="End" unit="h">7</IBK:Parameter>
            <IBK:Parameter name="LightingUtilizationRatio" unit="---">0</IBK:Parameter>
          </Interval>
          <Interval>
            <IBK:Parameter name="End" unit="h">18</IBK:Parameter>
            <IBK:Parameter name="LightingUtilizationRatio" unit="---">1</IBK:Parameter>
          </Interval>
          <Interval>
            <IBK:Parameter name="End" unit="h">24</IBK:Parameter>
            <IBK:Parameter name="LightingUtilizationRatio" unit="---">0</IBK:Parameter>
          </Interval>
        </DailyCycle>
        ...
    </SpaceTypeGroup>
  </ScheduleGroup>
</Schedules>
    
	

Zeitplangesteuert sind hingegen die prozentuale Personenbelegung (OccupancyRate), die Nutzungsrate elektrischer Leistung (EquipmentUtilizationRatio) und elektrischen Lichtes (LightingUtilizationRatio), die sich stets auf die im SpaceType angegebenen Maximalwerte beziehen. Der Besprecheungsraum wochentags von 8:00 - 16:00 Uhr als belegt eingestuft (OccupancyRate > 0), gleichzeitig werden nur innerhalb der Belegungszeit elektrische Nutzlasten erwartet (EquipmentUtilizationRatio>0). Die Beleuchtung wird ähnlich wie die ideale Heizung vorzeitig aktiviert (ab 7:00 Uhr). Zu diesem Zweck wird ein neuer Tageszyklus (DailyCycle) innerhalb desselben Schedule eingeführt, der andersartige Zeitintervalle (0:00 - 7:00 Uhr deaktiviert, 7:00 - 18:00 Uhr aktiviert, 18:00 - 24:00 Uhr weider deaktivert) enthält.

Modelle für natürliche Lüftung

Während Heiz- und Kühlbedarf sowie Personenbelegung unter klassische Raumnutzungseigenschaften fallen, sind Lüftungsmodelle vielfältiger. Daher erfolgt die Aktivierung natürlicher Lüftungsprozesse direkt über die zugehörigen Modelle. In NANDRAD ageboten werden zeitplangesteuerte natürliche Lüftung (UserVentilationModel) und Infiltrationslüftung (Infiltrationmodel). Beide Modelle können unabhängig voneinander, aber auch gleichzeitig aktiviert werden, in einem Raum dürfen also verschiedene Lüftungsprozesse stattfinden.

Das UserVentilationModel liefert Verluste durch natürliche Lüftung an alle Zonen, die im Block ImplicitModelFeedback gekapselt werden. Durch das InfiltrationModel werden Verluste durch Luftbewegung durch Wandundichtheiten abgebildet, und zwar ebenfalls für alle im ImplicitModelFeedback kodierten Zonen. Von Bedeutung für die Zonenwahl ist der Objektlistenname (ObjectListName), der jeweils die Objektlisten Ventilated Zones und Infiltrated Zones referenziert. Diese sind im Objektlistenblock ObjectLists zu finden, wobei die Zone mit der id-Nummer 8 beispielsweise in der Liste Infiltrated Zones geführt wird (definiert im Tag FilterID). Dies ist der in den vorangegangenen Abschnitten bereits vorgestellte Raum Buero102, der mit Infiltrationslüftung versehen wird.

	
<Models>
  <Model model="UserVentilationModel" id="1">
    <ImplicitModelFeedback>
      <ObjectListName>Ventilated Zones</ObjectListName>
      <Quantity>UserVentilationBalanceFlux</Quantity>
      <Operation>Add</Operation>
    </ImplicitModelFeedback>
  </Model>
  <Model model="InfiltrationModel" id="2">
    <ImplicitModelFeedback>
      <ObjectListName>Infiltrated Zones</ObjectListName>
      <Quantity>InfiltrationBalanceFlux</Quantity>
      <Operation>Add</Operation>
    </ImplicitModelFeedback>
  </Model>
</Models>
...
<ObjectLists>
  ...
  <ObjectList name="Ventilated Zones">
    ...
  </ObjectList>
  <ObjectList name="Infiltrated Zones">
    <FilterType>Zone</FilterType>
    <FilterID>...,8,...</FilterID>
  </ObjectList>
  ...
.</ObjectLists>
    
	

UserVentilationModel und InfiltrationModel sind zeitplanbasierte Lüftungsmodelle. Sie verlangen konkret einen Zeitplan (Schedule) für die Luftwechselraten (UserVentilationAirChangeRate und InfiltrationAirChangeRate). Dieser muss für alle in den Objektlisten referenzierten Zonen vorhanden sein.

Die Zone Buero102 ist dem Raumnutzungstyp Besprechung zugeordnet. Dieser wird innerhalb der Schedules durch die SpaceTypeGroup parametrisiert und enthält einen konstanten Tageszyklus (DailyCycle) für den Parameter InfiltrationAirChangeRate. Dieser modelliert eine konstante Luftaustauschrate in Folge von Infiltration.

	
<Schedules>
  <ScheduleGroup>
    <SpaceTypeGroup spaceTypeName="Besprechung">
      <Schedule type="AllDays">
        <DailyCycle>
          <Interval>
            <IBK:Parameter name="End" unit="h">24</IBK:Parameter>
            ...
            <IBK:Parameter name="InfiltrationAirChangeRate" unit="1/h">0.3</IBK:Parameter>
            ...
          </Interval>
        </DailyCycle>
      </Schedule>
        ...
    </SpaceTypeGroup>
  </ScheduleGroup>
</Schedules>
    
	

Simulation und Ergebnisauswertung

Die Simulation wird durch die Batch-Datei run.bat im Projektordner gestartet. Diese enthält die Aufrufsyntax für den Kommandozeilensolver:

	
<solver path>/NandradSolver.exe <project file path>/projectFile.nandrad --report
	
	

Die Option report generiert zusätzliche Auswertungsdateien für die Bedarfsanalyse im csv-Format zur Auswertung in einem vorgefertigten Excel-Template.

Nach Simulationsende sind die Ergebnisse im gleichnamigen Projektorder

	
<project file path>/<project name>/results
	
	

verfügbar. Von Interesse sind beispielsweise die Raumlufttemperaturen im Vergleich zu den Setpoint-Temperaturen. Die entsprechenden Ergebnisdateien lauten:

  • Raumlufttemperaturen:Zones_AirTemperature_objectList(Zone).d6o
  • Setpointtemperaturen (untere Schranke):Zones_HeatingSetPointTemperature_objectList(Zone).d6o
  • Setpointtemperaturen (obere Schranke):Zones_CoolingSetPointTemperature_objectList(Zone).d6o

Das Dateiformat wird durch das wissenschaftliche Postprozessing PostProc unterstützt. Dieses ermöglicht die Auswahl einzelner Räume, so wie beispilesweise das Café mit der Zonen-ID-Nummer 4. Dabei kann der gesamte Simulationsbereich (obere Abbildung) oder auch ausgewählte Bereiche (untere Abbildung).


Raumlufttemperatur im Cafe

(Auf das Diagram zum Vergrößern klicken)

Raumlufttemperatur im Cafe im Monat Juli

(Auf das Diagram zum Vergrößern klicken)

Typischerweise schwankt die Raumlufttemperatur bei idealer Heizung und Kühlung innerhalb des Toleranzbandes zwischen Kühlsetpoint- und Heizsetpointtemperatur.

Eine weitere Auswertungsmöglichkeit unter Windows bietet ein Excel-Template ReportTemplate.xlsm, welches im Installationsordner unter resources abgelegt ist. Für eine korrekte Funktionsweise muss als Dezimaltrennzeichen '.' in Excel voreingestellt sein. Im ersten Datenblatt ist eine Schaltfläche Update angelegt, welche das Einladen von Reportdateien erlaubt (erzeugt mit Hilfe der Kommandozeilenoption report). Das hier generierte Beispiel exportiert derartige Dateien in den Ordner <project file path>/<project name>/results. Nach Einladen dieses Dateiordners sind jährliche und monatliche Energiekennwerte verfügbar.


Nutzenergiebedarf im Gebäude über ein Jahr

(Auf das Diagram zum Vergrößern klicken)

Thermische Lasten und Verluste im Gebäude über ein Jahr

(Auf das Diagram zum Vergrößern klicken)

Monatlicher Nutzenergiebedarf im Gebäude

(Auf das Diagram zum Vergrößern klicken)

Bei dem hier vorliegenden Gebäude sind die hohen solaren Strahlungslasten durch die Fensterflächen kennzeichnend, welche zu einem sehr hohen Kühlenergiebedarf im Sommer führen.

 

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