Bauphysik 01/2013 Free Sample Copy by Ernst & Sohn

35. Jahrgang Februar 2013 ISSN 0171-5445 A 1879

BauSIM 2012 Gebäudesimulation auf den Größenskalen Bauteil • Raum • Gebäude • Stadtquartier Numerische Simulation von Gebäudebelüftung bei äußerem Wind Gekoppelte Gebäude-, Anlagen- und Strömungssimulation Thermische Speicherung von Netzüberlasten in Gebäuden Modellbibliothek zur Simulation energietechnischer Gebäudesysteme Effiziente Strahlungssimulation für thermisches Behaglichkeitsmodell Auswirkungen von Wärme auf menschliche Leistungsfähigkeit Alternating-Direction-Implicit-Methoden für die Bauteilsimulation Energieeffiziente Kühlung und thermischer Raumkomfort: acht europäische Nichtwohngebäude im Vergleich, Teil 2

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Innovative Schallmesstechnik Nor850 Mehrkanal-Messsystem Die neue Software Nor850 ermöglicht mehrkanalige Bauakustik- und Schallleistungsmessungen. Als Messmodul kann das neue Multikanal-Rack (mit bis zu 10 Kanälen) und der Schallanalysator Nor140 verwendet werden. Durch den Anschluss einer Vielzahl einzelner Messeinheiten über verschiedene Kommunikationskanäle kann der Benutzer sein optimales Mehrkanal-System für jede Aufgabe erstellen.

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Nor848 Akustische Kamera Das mobile System Nor848 ist batteriebetrieben und besteht lediglich aus zwei Komponenten: dem Mikrofon-Array (mit 225 Mikrofonen!) und dem Laptop (MacBook), die per LAN-Kabel verbunden werden. Ein zusätzliches Frontend ist nicht notwendig. Dadurch ist das System ideal für den mobilen Einsatz geeignet! Der Aufbau ist innerhalb weniger Minuten erledigt. Die intuitiv zu bedienende Software ermöglicht sowohl eine schnelle live Analyse vor Ort, als auch eine ausführliche nachträgliche Analyse im Büro. Durch Bewegen der Maus im Bild können Sie einzelne Schallquellen analysieren und auch anhören! Alles in Echtzeit!

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Inhalt

Maßgeschneiderte Baffel-Formate für die Hochschule Rhein-Waal: Die Anforderungen an Heradesign waren hoch, denn die Produktion musste alle Baffeln in individuellen Größen herstellen. Voraussetzung waren unterschiedliche Dimensionen für Audimax, Mensa und diverse Foyers und Flure der Hochschule. Wichtig war außerdem, dass der Schallpegel des Lärms rasch um 60 dB abnimmt. Diese Hürde meistern die Schallschlucker von Heradesign bravourös, siehe Bericht Seite A4–A5. (Foto: Heradesign)

Bauphysik 1

Editorial 1

Christoph Nytsch-Geusen Gebäudesimulation auf den Größenskalen Bauteil • Raum • Gebäude • Stadtquartier

Fachthemen 2

Bitte beachten: Die gedruckten Jahresinhaltsverzeichnisse 2012 erhalten unsere Abonnenten mit der ersten Ausgabe 2013. Oder online unter: www.ernst-und-sohn.de/artikeldatenbank 35. Jahrgang Februar 2013, Heft 1 ISSN 0171-5445 (print) ISSN 1437-0980 (online) Wilhelm Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG www.ernst-und-sohn.de

Peer-reviewed journal Bauphysik ist ab Jahrgang 2007 beim Web of Knowledge (ISI) von Thomson Reuters akkreditiert. Impact-Faktor 2011: 0,232

Aus Wiley InterScience wird Wiley Online Library

www.wileyonlinelibrary.com, die Plattform für das Bauphysik Online-Abonnement

Sonja Uphoff, Manfred Krafczyk, Martin Schönherr, Maik Stiebler, Mani Zargari Numerische Simulation von Gebäudebelüftung mit einem Lattice BoltzmannLES-Modell

8 Ralf Gritzki, Markus Rösler, Tobias Waltjen, Thomas Zelger Komfort für Passivhaus-Büros – Planungsunterstützung mit Hilfe gekoppelter Gebäude-, Anlagen- und Strömungssimulation 16

Martin Bauer, Josef Hochhuber, Matthias Schwanitz, Eberhard Fries, Caroline Lorz, Michael Sedlmeier Beitrag zur thermischen Speicherung von Netzüberlasten infolge regenerativer Energien in Gebäuden 21

Christoph Nytsch-Geusen, Jörg Huber, Manuel Ljubijankic, Jörg Rädler Modelica BuildingSystems − eine Modellbibliothek zur Simulation komplexer energietechnischer Gebäudesysteme

Sebastian Stratbücker, Sumee Park, Sandeep Rao Bolineni Effiziente Strahlungssimulation für ein thermisches Behaglichkeitsmodell

Susanne Urlaub, Lioba Werth, Anna Steidle, Christoph van Treeck, Klaus Sedlbauer Methodik zur Quantifizierung der Auswirkung von moderater Wärmebelastung auf die menschliche Leistungsfähigkeit

Anne Paepcke, Andreas Nicolai Alternating Direction Implicit-Methoden für die Bauteilsimulation: Chancen und Herausforderungen

Jens Pfafferott, Doreen Kalz Energieeffiziente Kühlung und thermischer Raumkomfort (Teil 2): Simulationsbasierte Evaluierung von Kühlkonzepten in verschiedenen europäischen Klimazonen

Rubriken 7 Aktuell (s. a. S. 15, 37 und 57) 59 Persönliches 59 Technische Regelsetzung 61 Veranstaltungen Stellenmarkt

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Der Professor spricht, und 500 Studenten können ihn tatsächlich hören Man kennt die Fotos zu Semesterbeginn aus den Tageszeitungen. Das Audimax quillt über, bricht aus allen Nähten. Und: Es ist nicht bloß voll, sondern die Lautstärke ist auch noch infernalisch. 500 Studenten reden durcheinander, nur der Prof wird nicht gehört. Dafür gibt es jetzt eine Lösung: die neuen Akustikbaffeln von Heradesign. Sie schlucken den Schall. Und sie sind nicht nur praktisch, sondern sehen auch noch extrem gut aus. Davon kann man sich nun in der Hochschule Rhein-Waal in Kleve überzeugen. Projektleiter Jörg Sprenger von der Trockenbau München GmbH: „Architekten wählen Baffeln, weil sie dem Raum eine klare, geometrische Struktur geben. Die neuen Baffeln von Heradesign sind funktional, farbenfroh und gleichzeitig elegant. Das macht der designte Aluminiumrahmen.“ Front und Rückseite sind aus der für den Hersteller typischen Holzwolle; im Kern besteht die Baffel aus einem schallabsorbierenden Mineralwolle-Vlies. Der Clou: „Unsere Baffeln sind schwer entflammbar, genügen so sogar strengsten Bauschutzrichtlinien“, erklärt Frank Plogstert, Verkaufsleiter für Heradesign in Norddeutschland, eines der technischen Details seines Produktes. Für Planer und Architekten bieten Akustikbaffeln einen unschätzbaren Vorteil. Be- und Entlüftungsrohre, Kabelkanäle, Leitungen und sogar ganze Lautsprecherboxen und Leuchten lassen sich unaufdringlich in die Akustiklösung integrieren.

Maßgeschneiderte Formate für die Hochschule Rhein-Waal Die Anforderungen an den Hersteller waren hoch, denn die Produktion musste alle Baffeln in individuellen Größen herstellen. Dabei galten unterschiedliche Dimensionen für Audimax, Mensa und diverse Foyers und Flure der Hochschule. Die Herausforderung bestand darin, 18 verschiedene Baffelformate zu konzipieren und dann herzustellen. Die kleinste Baffel ist 300 mal 600 mm groß, die größten messen 2.400 mal 600 mm. Baffeln dieser Ausmaße sind bislang nur in der Hochschule in Kleve verbaut worden. Achim Nolle, Heradesign Sales Director, berichtet, dass nur das eigene Angebot die Entscheider überzeugen konnte, „sogar bei der Farbgebung konnten wir auf die besonderen Kundenwünsche eingehen. Wir haben die Baffeln in zwei harmonierenden RAL-Volltonfarben eingefärbt, nämlich Maigrün (RAL 6017) und Lichtgrau (RAL 7035). Wir haben für die Hochschule eine Akustik-Komplettlösung mit genau 3.978 maßgeschneiderten Baffeln hergestellt. Wir freuen uns, dass

Bild 1. Die Baffeln hat Heradesign in zwei harmonierenden Vollfarben eingefärbt. Maigrün (RAL 6017) sowie Lichtgrau (RAL 7035)

Bild 2. Der Hersteller hat für die Hochschule eine Akustik-Komplettlösung mit genau 3.978 maßgeschneiderten Baffeln hergestellt

wir diese Manufakturleistung für die Rhein-Waaler Hochschule erbringen durften.“

Verarbeiterfreundliche Montage durch neuartiges Clipsystem Eine weitere Besonderheit der aufwändigen Baffelkonstruktion für die Hochschule Rhein-Waal ist das Befestigungssystem. Nachdem die massive Tragekonstruktion an der Decke angebracht war, konnten die Monteure die Baffeln einfach einclippen. Das Entscheidende dabei: Nach dem Einclippen bleiben die Baffeln in ihrer Trageschiene verschiebbar. Dadurch war das Ausfluchten der riesigen und komplexen Akustiklösung extrem einfach. „Das Ausrichten der einzelnen Heradesign Baffeln erwies sich als beinahe kinderleicht. Ich habe unsere Mitarbeiter selten mit derartigem Enthusiasmus eine Mammutaufgabe wie die Akustikdecke im Audimax bewältigen sehen“, zeigt sich Projektleiter Sprenger beeindruckt von dem innovativen System.

Optimale Sprachqualität im 18 m hohen Audimax Mit den akustischen Parametern seiner Akustiklösung hat der Hersteller laut Eigenangaben alle Wettbewerber ausgestochen. Die in der DIN EN ISO 3382 festgelegten Nachhallzeiten konnte bei dieser Raumhöhe und -größe nur der Akustikspezialist aus dem österreichischen Ferndorf einhalten. Besonders im tieffrequenten Spektrum ist die rasche Absorption des Schalls relevant für die Sprachverständlichkeit. Wichtig dabei ist, dass der Pegel des Ausgangssignals in der Zeit von 0,4 bis 0,6 Sekunden um 60 dB abnimmt. Diese Hürde meistern die Schallschlucker von Heradesign bravourös. Maße der Baffeln: von 300 × 600 mm bis 2.400 × 600 mm Anzahl Baffeln: ca. 4.000 Baffeln in 18 verschiedenen Formaten Gesamtfläche der Akustiklösung: 2.125 m2 Verwendete Farben: Maigrün (RAL 6017) und Lichtgrau (RAL 7035) Schallabsorption nach Norm: DIN EN ISO 3382 Bauherr: Kreis Kleve Architekt: NPS Tchoban Voss Akustiker: Graner und Partner, Bergisch Gladbach Ausführendes Trockenbau Unternehmen: Trockenbau München GmbH

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und zur vollflächigen oder streifenförmigen Verlegung unter Trockenestrichen.

Eigens entwickelte Materialrezeptur

Bild 3. Die neuen Akustikbaffeln von Heradesign. Sie schlucken den Schall. Und sie sind nicht nur praktisch, sondern sehen auch noch extrem gut aus. Davon kann man sich nun in der Hochschule Rhein-Waal in Kleve überzeugen (Fotos: Heradesign)

Baffeln anstelle der klassischen, abgehängten Decke

Die zweite neue Estrichdämmbahn von BSW heißt Regupol sound 12. Sie besteht aus einer eigens zu diesem Zweck ent wickelten Materialrezeptur aus polyurethangebundenen Elastomeren. Regupol sound 12 hat ein Trittschallminderungsmaß von 33 dB bei einer maximalen Dauerlast von 3.000 kg/m². Sie ist ebenfalls 17 mm dick und hat eine dynamische Steifigkeit von s´ ≤ 12 MN/m³. Die Zusammendrückbarkeit beträgt ebenfalls c ≤ 2,0 mm. Mit seiner annähernd gleich hohen Trittschallminderung und einer noch höheren maximalen Dauerlast ist das Material ähnlich leistungsfähig wie Regufoam sound 10 und dabei etwas preisgünstiger. Die bisherigen Estrichdämmprodukte von BSW wurden ebenfalls weiteren Tests unterzogen und in einzelnen Materialeigenschaften optimiert. Sie heißen Regupol sound 17 und Regupol sound 47. Die insgesamt vier Estrichdämmbahnen decken mit ihren abgestuften physikalischen Eigenschaften und ihrer dementsprechenden Preisgestaltung ein breites Anwendungsspektrum ab.

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Eine moderne betonkernaktivierte Decke muss „atmen“ können. Daher kam die Möglichkeit einer klassischen, abgehängten Akustikdecke nicht in Frage. Der Hersteller lag somit mit seiner Bedarfsprognose 2012 vollkommen richtig: Baffeln sind gefragt. Besonders für Großprojekte wie in Kleve. Mit der optisch ansprechenden und erfolgreichen Lösung mit dem Aluminiumrahmen hatte der österreichische Akustikprofi gerade erst im Januar 2012 sein Baffel-Portfolio erweitert. Weitere Informationen: Heradesign – Geschäftseinheit der Knauf AMF Deckensysteme GmbH, Ferndorf 29, 9702 Ferndorf, Österreich, Tel. +43 4245/2001-3003, Fax +43 4245/2001-3499, office@heradesign.com, www.heradesign.de

Regufoam-sound-10-Trittschalldämmung

Neue Estrichdämmung von BSW mit bis zu 34 dB Trittschallminderung Der Spezialist für Bauakustik, BSW, stellte auf der Messe BAU in München sein neues Programm hoch belastbarer Trittschall-dämmungen unter Estrichen vor. Die neue Produktpalette beinhaltet zwei Dämmbahnen, deren Trittschallminderungsmaße im Verhältnis zur maximalen Dauerlast Spitzenwerte erreichen. Das leistungsfähigste Trittschalldämm-Material, Regufoam sound 10, erreicht mit einem 80 mm dicken Estrichaufbau ein Trittschall-verbesserungsmaß von ∆Lw ≥ 34 dB, bei einer maximalen Dauerlast von 2.500 kg/m². Kurzfristige dynamische Lastspitzen können noch deutlich höher sein. Sie ist 17 mm dick und hat eine dynamische Steifigkeit von s´ ≤ 10 MN/m³. Die Zusammendrückbarkeit beträgt c ≤ 2,0 mm. BSW hat diese Trittschalldämmbahn aus seinem Polyurethanschaum Regufoam entwickelt, der seit Jahren zur Schwingungsisolierung von Gebäude- und Maschinenfundamenten eingesetzt wird. Nach einer Recherche von BSW handelt es sich bei der neuen Trittschalldämmung momentan um die leistungs-fähigste, die auf dem Markt zu finden ist. Regufoam sound 10 eignet sich zur vollflächigen Verlegung unter schwimmend verlegtem Zementestrich

Kompromisslos wirksame Akustiklösungen Mit seiner neuen Produktpalette beabsichtigt BSW, seine führende Position im Markt für hoch belastbare Trittschalldämmungen weiter auszubauen. Mit den außerordentlich hohen Trittschalldämmwerten können, so das Unternehmen, kompromisslos wirksame Akustiklösungen in allen Gebäuden geschaffen werden, die gewerblich industrielle Bereiche mit Büros, Wohnungen und akustisch sensiblen Räumen wie Auditorien und Studios unter ihrem Dach vereinen. Alle Materialien des neuen Produktprogramms sind bauaufsichtlich zugelassen oder werden es demnächst sein. Außerdem hat BSW auf der BAU weitere Produktneuheiten angekündigt. So sollen im Laufe des Jahres 2013 eine neues Programm schwingungsisolierender Materialien, eine neue Trittschalldämmbahn für Terrassen und Dachterrassen sowie ein trittschalldämmender Sport- und Spielboden für Flachdächer vorgestellt werden. Außerdem wird BSW seine begleitenden Beratungsleistungen und sein Softwareangebot für bauakustische Berechnungen ausbauen. Weitere Informationen: BSW GmbH, Am Hilgenacker 24, 57319 Bad Berleburg, Tel. +49 (0)2751 803 0, info@berleburger.de, www.berleburger.com

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Chice Akustikdecken in edlem Ambiente Direkt neben der ersten Indoor-Skihalle Deutschlands können Besucher seit Sommer 2011 im 4****-Superior Hotel Fire & Ice in alpinem Flair tagen und übernachten. Damit hat die allrounder mountain resort gmbh & co. kg eine Lücke im Neusser Skizirkus geschlossen, dessen Kernstück die 2001 eröffnete JEVER SKIHALLE ist. Skifahrer und Snowboarder gleiten dort auf einer 300 m langen und 100 m breiten Pulverschnee-Piste ganzjährig den Abhang hinunter. Natürlich ist auch hier für Einkehrschwung und Après-Ski gesorgt – mit Hüttengaudi, Almen und alpenländischer Gastronomie. Außer Skifahren kann man Rodeln, Eisstockschießen und sich outdoor im Kletterpark erproben. Jährlich besuchen über eine Million Gäste die Skihalle. Das Besondere am Hotel Fire & Ice Düsseldorf/Neuss sind das hochwertig-legere Wohlfühlklima und die Emotionen, die aus dem Spannungsbogen zwischen den Kontrasten Feuer und Eis entstehen. – Jeder Skifahrer kennt das Gefühlt, von der eisigen Abfahrt in die wohlig warme Berghütte zu kommen. Optisch stehen daher die warmtonigen Farben der Holzhütte und die Feuerglut im Kontrast zu den kühlen Farben von Eis, Schnee und Fels der Bergwelt außen. Diese Eindrücke sind auch im Hotel Fire & Ice zu finden: In der Pistenlounge prasselt ein Feuer im übermannshohen Kamin, während sich hinter der Panoramaglasfront die verschneite Skipiste präsentiert. Hautnah erlebbar sind Feuer und Eis auch in der Sauna, von der aus man direkt auf die Skipiste blickt. Feuer und Eis finden sich mit entsprechend warmen und kühlen Farbtönen auch in den Hotelzimmern wieder. Unter den 79 mit alpinen Details eingerichteten Räumen sind 13 Themenzimmer und -suiten, im Anklang an berühmte Bergregionen und -gipfel der Welt.

Bild 2. Loungige Hüttenatmosphäre unter einer Akustikdecke, die nicht auffällt: Die Akustikputzbeschichtung CapaCoustic Structure wirkt dezent und ist dennoch sehr effektiv.

die Akustik-Lochplatten applizieren ließ. Entscheidend war, dass das System fugenlos ist.“ CapaCoustic Structure besticht durch eine feine, offenporige Spritzputzbeschichtung, die akustisch transparent ist. Die auftreffenden Schallwellen gehen durch die Poren des verarbeitungsfertigen dispersionsgebundenen Akustik-Spritzputzes hindurch und treffen auf die darunter liegenden, abgehängten GipskartonLochplatten. Die Schallenergie wird auf diesem Weg in den Hohlraum hinter der Decke geleitet, wo sie absorbiert bzw. in Wärmeenergie umgewandelt wird.

Gute Akustik mit Stil Der umgebende Eventbereich mit Ski-, Rodel- und Kletterincentives macht das Hotel auch für Tagungen und Seminare beliebt. Insgesamt 1.000 m² Tagungsbereich stehen zur Verfügung. Viel Raum, in dem es ohne akustische Maßnahmen schnell unangenehm laut werden kann. Damit in Tagungsräumen, Lobby und Treppenhaus die Akustik stimmt, war eine effektive Maßnahme erforderlich. Die Verantwortlichen entschieden sich für ein hochwertiges System, das sich gleichermaßen edel wie dezent in das gestalterische Gesamtkonzept des Hotels einfügt: CapaCoustic Structure von Caparol.

Fugenlos akustisch wirksam Architekt Martin Nienhaus vom Architekturbüro Bruno Braun, Düsseldorf, berichtet: „Ein reines Lochplatten-Akustiksystem hätte mit seiner technischen Anmutung nicht zum alpinen, hochwertigen Stil des Hotels gepasst. Da war es ideal, dass sich mit CapaCoustic Structure eine grobkörnige Putzbeschichtung über

BiId 1. In der Pistenlounge können die Hotelgäste schon beim Frühstück den Skifahrern zusehen. Für eine gute Akustik, die sich stilvoll in den Raum integriert, sorgt das Akustiksystem CapaCoustic Structure an der Decke.

Technische Informationen zu CapaCoustic Structure Die handelsüblichen Gipskarton (GK)-Lochplatten 12/25 Q werden nach Herstellerangaben auf entsprechender Unterkonstruktion aus CD-Profilen verlegt. Darauf kommt bauseits vollflächig ein spezielles Akustikvlies als Trägermaterial; auf dieses wird der feine, offenporige CapaCoustic-Putz in zwei Arbeitsgängen aufgespritzt. So lassen sich optisch ansprechend, fugenlose Akustikflächen im Innenbereich herstellen. Hierbei ist die Realisierung von abgesetzten und flächenbündigen Deckeneinbauten wie Lautsprecher, Leuchten, Revisionsklappen und vieles mehr problemlos möglich. Das Akustiksystem wird vornehmlich im Deckenbereich eingesetzt, an den Innenwänden wird CapaCoustic Structure meist erst oberhalb der mechanisch stark belasteten Teilflächen, in der Regel oberhalb von zwei Metern Höhe, aufgebracht. Dank der feinen Körnung von 1,0 mm lassen sich mit CapaCoustic Structure feine fugenlose Oberflächen herstellen, die die offenporöse Struktur nicht erkennen lassen. Das System kann auf nahezu alle tragfähigen und ebenen GK-Lochplatten aufgebracht werden. Hauptsächlich wird das System bei neu geplanten abgehängten Akustikdecken verwendet. Aber auch bereits im Bestand vorhandene Deckenflächen aus GK-Lochplatten können nachträglich beschichtet werden und erhalten so ein komplett neues Outfit, ohne dass die alte Decke entfernt werden muss bzw. die raumakustischen Bedingungen nennenswert beeinflusst werden. Der Akustikputz ist in vielfältiger Farbgebung realisierbar, dabei können auch Volltöne beschichtet werden. Zur Renovierung älterer und unansehnlich gewordener systemverwandter Akustikdecken können diese nach einer kurzen Untergrund behandlung einfach überspritzt werden.

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Bild 3. Die Einbauten für Belüftung und Beleuchtung sind nahezu flächenbündig in die Akustikdecke integriert. (Fotos: Caparol Farben Lacke Bautenschutz/Martin Duckek

Feiner weißer Putz korrespondiert mit der Schneedecke Zur perfekten Technik kommt die Ästhetik: CapaCoustic Structure passt wunderbar in das Designkonzept des Hotels Fire & Ice. Der weiße, feine Putz korrespondiert in der Anmutung mit der fein-pulvrigen Schneedecke auf der Skipiste, die durch die Panoramafenster zu sehen ist. Bei genauer Betrachtung wecken die kristalline Struktur des Akustikputzes und der weiße Farbton Anklänge an Schneekristalle. So findet sich sinnbildlich das Thema „Eis“ an der Akustikdecke wieder, während die Holzböden und Geweihleuchten warm anmuten und die feurige Seite abbilden. Mit CapaCoustic Structure wurde im Hotel Fire & Ice in Neuss ein modernes, effektives Akustiksystem eingebaut, das unauffällig und diskret ist und erstklassig in das alpine, hochwertig-legere Konzept des Hotels passt.

Regupol® | Regufoam® Neu: Trittschalldämmung unter Estrich bis 34 dB

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Weitere Informationen: Deutsche Amphibolin-Werke von Robert Murjahn Stiftung & Co KG, Geschäftsbereich CAPAROL Farben Lacke Bautenschutz, Roßdörfer Straße 50, Industriegebiet 1, 64372 Ober-Ramstadt, Tel. +49 (0)6154 71-0, Fax +49 (0)6154 71-1391, info@caparol.de, www.caparol.de

on your wavelength

Trittschall dämmen Projekt ADAC Zentrale, München Die Planung der Großdruckerei in der ADAC Zentrale München musste die besonderen Anforderungen an die Körperschallübertragung berücksichtigen. Denn sie darf die Arbeit in den darüber liegenden Büros und Konferenzräumen nicht beeinträchtigen. Deshalb wurde die durch Hubfahrzeuge befahrene Bodenkonstruktion der Druckerei mit Regupol® gedämmt. BSW GmbH Telefon: +49 2751 803-124 Fax: +49 2751 803-159 schwingung@berleburger.de www.bsw-schwingungstechnik.de

ADAC Zentrale, München

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Akustikelemente mit Design Die Lignokustik AG ist spezialisiert auf die Herstellung von hochwirksamen, akustischen Wand- und Deckenverkleidungen. Nebst einem modernen Design werden die Akustikprodukte gerillt oder gelocht mit einer Vielzahl unterschiedlicher Oberflächen hergestellt. Verschiedene, frei wählbare Oberflächen in Echtholzfurnier, farbig lackiert oder mit Melaminharzbeschichtung bieten nahezu unbeschränkte Design-Möglichkeiten. Auch akustisch wirksame Schranktüren sowie gebogene Akustikpaneele sind lieferbar. Sämtliche Produkte können als absorbierende oder reflektie-

Stadtsaal Schwaz – Web groß

(Foto: Lignokustik)

rende Elemente hergestellt werden. Höchste Anforderungen an die Akustikwerte (NCR bis 0.95) erreicht unser Produkt Delta, microperforiert. Basismaterial sind bei den Akustikprodukten von Lignokustik AG Holzwerkstoffe. Wobei das Thema Brandschutz ein wichtiger Punkt in Bezug auf die brandtechnischen Vorgaben der Bauherrschaft ist. Alle Akustikelemente können in der Brandklasse schwerentflammbar ausgeführt werden. Das Produkt Alpha kann in A2, nicht brennbar im Verbund mit Echtholzoberfläche produziert werden. Entsprechende Prüfzeugnissen liegen vor. Großer Wert wird bei der individuellen Herstellung auf die Qualität der Materialien und der Ausführung gelegt. Eigens entwickelte Montagebeschläge bieten Gewähr für eine effiziente und saubere Montage. Neu können die Akustikelemente des Herstellers auch mit dem Firmenlogo und frei wählbaren Bildern bedruckt werden, ohne dass dabei die Akustikwerte beeinträchtigt werden. Auch im Bereich der Denkmalpflege im Zusammenhang mit dem Akustikprodukt Delta ist Lignokustik AG in der Lage, neue Wege zu beschreiten.

Weitere Informationen: Lignokustik AG, Unterhaldenstraße 32, 8717 Benken, Schweiz, Tel. +41 (0)55 – 293 24 00, Fax +41 (0)55 – 293 24 01, info@lignokustik.ch, www.lignokustik.ch

Schallschutz und Isolierarbeiten im Gaskraftwerk Emsland Der Kraftwerksbetreiber RWE Power investierte 2011 in die Modernisierung des Gaskraftwerks Emsland in Lingen, um die Anlagen mit hocheffizienter Technik zukunfts- und wettbewerbsfähig zu machen. Kern des Bauvorhabens waren zwei bestehende Gasturbinen, welche durch vier neue aeroderivative Gasturbinen ersetzt wurden. Für die Montage der Außenund Innenisolierung der Gasturbinen-Abgassysteme sowie der dazugehörigen Schallschutzinstallationen zeichnete die G+H Schallschutz GmbH verantwortlich. Das Unternehmen erstellte die schall- und wärmeisolierenden Abgassysteme bestehend aus Bypass-Kaminen, Kanälen und Klappensystemen.

Bild 2. Bypass-Kamin des Blockes C mit Schalldämpfer (Fotos: G+H ISOLIERUNG)

Bild 1. Fest verschweißte Schrauben sorgen für die nötige Stabilität der Isolierung im Kanalinnern

Die Innenseiten der neuen Abgaskanäle stattete die G+H Schallschutz GmbH mit Mineralwollematten aus und verkleidete diese abschließend mit maßgeschneiderten Metallteilen aus Edelstahl. So werden Wärmeverluste verringert und der CO2Ausstoß reduziert. Im Inneren versahen die G+H Techniker die Edelstahlverkleidung mit an der Innenseite der Kanalaußenwand verschweißten Bolzen, so dass die Innenisolierung neben hohen Temperaturen und Temperaturunterschieden beim Starten und Abschalten der Anlage auch starken Strömungskräften standhält. Ein Verschieben der schindelartig angeordneten Innenverkleidung verhindert zudem Wärmespannungen, die beim

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Weitere Informationen: G+H ISOLIERUNG GmbH, Bürgermeister-Grünzweig-Straße 1, 67059 Ludwigshafen, Tel. +49 621 502-0, Fax +49 621 502-599, info@guh-gruppe.de, www.gruppe-guh.de

50 Jahre mageba sa – führender Anbieter für baudynamische Lösungen Seit 50 Jahren entwickelt und produziert die mageba sa in Bülach (CH), Produkte für baudynamische Anforderungen im Hoch-, Ingenieur- und Stahlbau. Dank der Innovationskraft und dem großen langjährigen Knowhow der rund 400 MitarbeiterInnen, gelingt es der mageba sa in über 45 Ländern den hohen Anforderungen mit ausgereiften und modernen Produkten gerecht zu werden. mageba sa legt mit seinem Pionier- und Erfindungsgeist ein spezielles Augenmerk auf wirtschaftliche, dauerhafte Lösungen, die die Lebenserwartung und die Nutzungsqualität der Bauwerke erheblich steigert. So z. B. auch beim Umbau des ehemaligen Griesheimer Arbeitsamtes in Frankfurt/M. wo aufgrund der Umnutzung des Gebäudes (Discountmarkt mit darüber liegenden Eigentumswohnungen) schalltechnische Verbesserungsmaßnahmen erforderlich waren. Durch die tägliche Anlieferung von Verkaufsprodukten entstehen unweigerlich Schallimmissionen, die sich auf die Eigentumswohnungen übertragen und zu Beeinträchtigungen der Wohnqualität führen. Die Entkoppelung dieser Immissionen konnte daher nur mit einer hochstehenden und leistungsfähigen Trittschalldämmung gelöst werden.

Unser Focus: Systemlösungen für den Hochbau

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schnellen Anfahren der Turbine auftreten. Gleichzeitig bleibt die Kanalaußenwand kalt, weshalb sie aus günstigem C-Stahl statisch optimiert konstruiert werden konnte. Dieses von G+H Schallschutz eingesetzte System wurde für die Abgaskanäle und -kamine verwendet. Die aus den hohen Luftgeschwindigkeiten resultierenden Luftverwirbelungen in den Rohren erhöhen aber auch den abgestrahlten Schall. G+H verbaute daher spezielle Mineralwollematten mit schalldämmender Wirkung. Eine weitere Schallquelle waren die vier 60 m hohen Abgaskamine. Hier mindern die Innenisolierung und Abgasschalldämpfer den Schallpegel von 137 auf 78 dB pro Kamin.

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Seit Jahrzehnten erfolgreich praktiziert Diese – in Ballungsgebieten immer häufiger vorkommende – Art der gemeinsamen Gebäudenutzung wird – geographisch bedingt – in der Schweiz bereits seit Jahrzehnten erfolgreich praktiziert. Die Anforderungen an den Schallschutz entsprechen dort der Norm EN 12354. mageba sa kann bei der Lösung solcher Anforderungen auf einen umfangreichen Erfahrungsschatz zurückgreifen. Zahlreiche Referenzen, bei denen die Leistungsfähigkeit der erhöhten Schalldämmung messtechnisch nachgewiesen werden konnten, beweisen Wirtschaftlichkeit und Funktionalität der Systemlösungen von mageba sa. – Argumente, die für den Bauakustiker ausschlaggebend waren, sich für die Trittschalldämmung Grei 8 aus der Produktfamilie Isolgomma Grei zu entscheiden. Unter dem Rüttelfliesenboden des Umbaus Griesheimer Arbeitsamt wurden dabei rund 2.000 m2 verlegt (Bild 2). Grei 8 ist nur 8 mm stark und erreicht einlagig bereits Trittschalldämmwerte von 33 dB (∆Lw nach EN 12345). In besonderen Fällen können je nach Anforderung mehrere Lagen Grei übereinander verlegt werden. Für den Einsatz unter Rüttelfliesen Böden mit Verkehrslasten bis 10 kN/m² erzielt man mit zwei

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Schallschutz und Akustik

Mageba sa Leistungsangebot im Überblick: – Auflager für den Massivbau: Mit dem richtigen Einsatz der Decken-, Wand-, Trenn- und/oder Gleitlagern können verschiedenartigsten Bauwerksschäden wie Zwänge oder Risse vermieden werden. Wandlager werden überall dort eingesetzt, wo Druckkräfte zu Schäden führen oder erhöhte Schalldämmanforderungen gefragt sind. magebas umfangreiches Sortiment garantiert optimale Lösungen für jedes Bauvorhaben. – Schwingungsisolation (Bild 1): Zur Reduktion von Bewegungen, Schwingungen und Schallübertragung für jeder Art von Gebäuden, Maschinen oder Kranbahnen. Zahlreiche Bauvorhaben wurden in den vergangenen Jahren erfolgreich mit mageba Systemen ausgestattet. Z. B. Körperschalldämmung unter Rüttelfliesenböden von Discountmärkten. – Dehnfugen: Fugenkonstruktionen für eine Vielzahl von Anwendungen im Innen- und Außenbereich wie z. B. Parkdecks oder Shopping- und auch Einkaufscenter. – Spezialprodukte: Abdichtungssysteme, Quellfugenbänder wie auch Dicht- und Klebestoffe als ergänzende Systemkomponenten. – Monitoring- Systeme (Bild 3): Zur physikalischen Überwachung von Gebäuden und Ingenieurbauwerken. Die eigens entwickelten Systeme können als sowohl als temporäre, als auch Langzeitlösung zur Überwachung eingesetzt werden. Entsprechend werden Messdaten kundenspezifisch ermittelt und bereitgestellt.

Bild 2. Verlegung von Grei 8 im Discounter Frankfurt/M., Griesheim

Bild 3. Beispiel Schema Monitoring

(Fotos/Abb.: mageba)

Lagen Isolgomma Grei 8 eine optimale Dämmleistung – und dies ohne die Nutzungseigenschaften des Bodens durch zu große Federwege bei der Be- und Entlastung des Bodenaufbaus einzuschränken. Isolgomma Grei, auf der Werkstoffbasis EPDM, wird seit über 30 Jahren erfolgreich eingesetzt und entspricht den Klassifizierungsvorgaben L.E.E.D®.

Nur kurzfristig unterbrochener Bauablauf

Bild 1. Schwingungsisolation für einen Großmotoren-Teststand in Mannheim

Durch die geringen Einfederungseigenschaften von Isolgomma Grei 8 wird der Bauablauf nur kurzfristig unterbrochen und die Rüttelfliesenboden sind schon nach sehr kurzer Zeit für Folgearbeiten belastbar.

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Die sehr niedrige Eigenfrequenz der Grei-Produktelinie isoliert und dämmt Tritt- und Körperschall bereits bei geringer Aufbau stärkte. Handwerker schätzen aufgrund der Flexibilität die rationelle und sichere Verlegung der Trittschalldämmung inkl. der Detailausführungen wie z.B. Säulen- und Eckausbildungen. Zusätzliche Arbeitserleichterungen ergeben sich bei Isolgomma Grei durch den selbstklebenden Randstreifen, welcher die Stossverbindungen der einzelnen Bahnen übernimmt. Durch die wasserdichte Oberschicht bleiben kostspielige zusätzliche Maßnahmen und Arbeitsschritte (z. B. PE-Schutzfolie) erspart, welche die Bauzeit positiv begünstigen. Weitere Informationen: mageba gmbh, Hans-Böckler-Straße 12, 37170 Uslar, Tel. +49 (0)5571 – 9256 0, Fax +49 (0)5571 – 9256-56, uslar@mageba.ch, www.mageba-germany.de

Eine Lösung für dieses Problem bietet der akustisch wirkende Abstandhalter Sorp 10®. Hierbei handelt es sich um eine Kombination aus einer Faserbeton U-Schiene und einem darin eingebetteten Absorberstreifen. Der Absorberstreifen besteht aus Blähglasgranulat, dass in einem patentierten Sinterverfahren als Plattenware hergestellt und für die Verwendung im Sorp 10® in entsprechende Streifen zugeschnitten wird.

Bild 1. Sorp 10® akustisch wirkender Abstandhalter

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Schallschutz und Akustik

Möglichst filigraner Körper

Raumakustik einfach eingebaut Die Frage, wie eine den Anforderungen gerecht werdende Raumakustik mit kernteilaktivierten Decken erzielt werden kann, beschäftigt Planer und Ingenieure seit Jahren. Der prozentuale Anteil von kernteilaktiven Betonteilen steigt in Anbetracht steigender Energiekosten und der Forderung nach nachhaltigen Bauwerken überproportional. Solche Decken dürfen aber weder vollflächig mit absorbierenden Materialien belegt werden, noch ist es sinnvoll, Baffles oder Deckensegel einzusetzen, deren Einsatz zu einem Temperaturstau im Deckenbereich führt und die thermische Wirkung der Decke maßgeblich beeinträchtigt.

Der Faserbeton besteht zum Großteil aus einem Zement-/Sandgemisch mit verschiedenen Produktionshilfsstoffen. In die Entwicklung der U-Schiene wurde entsprechend Firmen Know-how gesteckt, um einen möglichst filigranen Körper herstellen zu können. Die Herstellung des U-Profils erfolgt als endloser Strang im Extrusionsverfahren. Dabei werden die Rohmaterialien homogen vermischt und über eine formgebende Matrize auf Werkstückträger produziert. Der Zuschnitt des Profils erfolgt parallel zur Fertigung. Es soll gleichzeitig den Schutz für das poröse Blähglasgranulat gewährleisten, aber auch als Abstandhalter für die erste Bewehrungslage eingesetzt werden können. Die Absorberstreifen werden nach der Herstellung der Faserbeton U-Schiene mit einem mineralischen Klebstoff in die Schiene eingeklebt. Durch die spezielle Geometrie der Schiene und des verwendeten Klebstoffs entsteht eine formschlüssige Verbindung, die zum einen den festen Sitz des Absorbermaterials in der

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Schallschutz und Akustik

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über den gesamten Gebäudezyklus gewährleistet wird. Hiervon profitieren sogar schon nachfolgende Gewerke, die z. T. mit lauten Geräten und Maschinen arbeiten, da die raumakustische Leistungsfähigkeit bereits nach dem Ausschalen voll gegeben ist. Ein zusätzlicher Vorteil ergibt sich daraus, dass die lichte Raumhöhe nicht beeinträchtigt wird. Konsequent vom Beginn der Planung an berücksichtigt, kann so die Gebäudehöhe insgesamt in einem Maße reduziert werden, das deutliche Einsparungen in den Baukosten ermöglicht. Die streifenförmige Anordnung mit einem Achsmaß von 250 mm ermöglicht den Einsatz von Sorp 10® in thermisch aktivierten Betonbauteilen, da ein ausreichender Querschnitt ungestörten Betons für den Wärmeübergang zwischen Raumluft und Beton verbleibt. Die Entwicklung von Sorp 10® erfolgte in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für Bauphysik IBP, Stuttgart.

Hohe ästhetische Ansprüche Bild 2. Akustikstreifen in der Decke (ohne Putz) (Fotos: 1 Max Frank GmbH; 2 Burckhardt+Partner AG

Schiene und zum anderen den festen Sitz der Schiene in der Betondecke gewährleistet. Um eine baustellengerechte Verarbeitung sicherzustellen, wird die akustisch wirkende Seite des Produkts mit einem Schutzvlies ausgestattet. Das Vlies wird werkseitig angebracht und dient auf der Baustelle als Befestigungshilfe des Sorp 10® auf der Schalung.

Ökologische und nachhaltige Wirkung

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Der akustisch wirkende Abstandhalter wird mit einer Standardlänge von 1.200 mm hergestellt. Es stehen die beiden Höhen 36 mm und 57 mm zur Verfügung. Auf Wunsch wird das Schutzvlies bereits mit Klebestreifen für die Befestigung auf der Schalung ausgestattet. Bis zum Einbau auf der Baustelle ist auf einen entsprechenden Schutz vor Witterungseinflüssen zu achten. Der Einsatz von Recyclaten und ausgewählten Rohstoffen kommt der ökologischen und nachhaltigen Wirkung des Produkts zugute. So kann beim Rückbau des Gebäudes der Sorp 10® mit dem umschließenden Ortbeton zerkleinert und als Füll- und Schüttmaterial im Tiefbau eingesetzt werden. Die Funktionsweise von Sorp 10® ist die eines porösen AkustikAbsorbers, d. h. die durch eindringende Schallwellen angeregten Luftmoleküle verlieren durch Reibung in den zahlreichen Hohlräumen des Absorbermaterials einen Teil ihrer Energie. Der Energieeintrag der Schallwellen wird in Wärme umgewandelt. Sorp 10® ist einzuordnen als Schallabsorber der Klasse D nach DIN EN ISO 11654, die entsprechenden Prüfberichte zur Bestimmung des Absorptionsgrades liegen vor. Die Ausführung der raumakustischen Maßnahmen mit Sorp 10® bereits im Rohbauteil stellt sicher, dass eine gute Raumakustik

Auch hohen Ansprüchen an die ästhetische Gestaltung wird das System gerecht. Der architektonische Entwurf wird nicht durch abgehängte Elemente beeinflusst. Zudem lässt sich die Deckenunterseite durch das Aufbringen eines akustisch offenen Putzes fugenlos und farblich einheitlich mit einer glatten Oberfläche beschichten. Der Einbau von Sorp 10® erfolgt mit der akustisch wirksamen offenen Seite, die durch eine Vliesschicht geschützt ist, direkt auf der Schalung. Hierbei kann zwischen den beiden Befestigungsvarianten „Antackern“ und „Aufkleben“ gewählt werden. Die Absorber werden auf der gesamten Schalungsfläche durchgehend mit einem Achsabstand von 250 mm angeordnet und dienen gleichzeitig als Abstandhalter für die untere Bewehrungslage. Sie erfüllen die im DBV-Merkblatt Abstandhalter nach EC 2 gestellten Anforderungen an Belastbarkeit und Kippsicherheit. Die Positionierung der Streifenabsorber erfolgt durch Vermessen und Markieren mit einer Schlagschnur oder über das Verlegen mit einer Verlegeschablone. Der im Rahmen der Entwicklung definierte Achsabstand gewährleistet den besten Wirkungsgrad sowohl hinsichtlich der raumakustischen Verbesserung als auch hinsichtlich der thermischen Leistungsfähigkeit. Bereits in verschiedenen Gebäuden eingesetzt, stellt das Administrationsgebäude der Roche Diagnostics AG in Rotkreuz, Schweiz das bisher größte Projekt mit Sorp 10® dar. In 13 Geschossen wurden hier insgesamt etwa 20.000 lfm des Streifenabsorbers verbaut. Die Raumakustik konnte sehr erfolgreich verbessert werden, die Funktionalität der thermischen Bauteilaktivierung wurde nicht beeinträchtigt. Auch unter dem Gesichtspunkt des Brandschutzes erfüllt Sorp 10® alle Anforderungen. Die entsprechenden Prüfzeugnisse zum Nachweis der Unbedenklichkeit hinsichtlich Brandschutz sowie Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit stehen zum Download unter www.maxfrank.de bereit. Die Betonfertigteilindustrie hat die Vorteile des Absorbers, speziell bei thermisch aktivierten Stahlbetondecken bereits erkannt. Die prozesssichere Verarbeitung im Werk, die geringe Beeinflussung der thermischen Leistungsfähigkeit der Decke sowie die hervorragenden Absorptionsspektren, die durch den Sorp 10® erzielt werden, lassen zukünftig auf einen vermehrten Einsatz – auch in Fertigteilen – schließen. Dr.-Ing. Christian König, Max Frank GmbH & Co. KG Weitere Informationen: Max Frank GmbH & Co. KG, Mitterweg 1, 94339 Leiblfing, Tel. +49 (0)9427 – 1890, Fax +49 (0)9427 – 1588, info@maxfrank.de, www.maxfrank.de

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bauphysik 57_252:Layout 10.01.2013 Schallschutz und 3Akustik

Am 3. Dezember 2012 wurde das erste M1 Energieplus Massivhaus an die künftigen Bewohner feierlich übergeben. Anerkennung fand das Projekt an diesem Tag bei allen, bei Journalisten wie bei Gästen. Staatssekretär Rainer Bomba vom Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung nahm sich persönlich Zeit, das Projekt zu besichtigen und in seiner Rede von „gelebter Energiewende“ zu sprechen. Das Bundesministerium unterstützt das Projekt im Rahmen des Programms „Zukunft Bau“. Mit dem nun fertiggestellten Pilotprojekt in der kleinen Gemeinde Brieselang bei Berlin sollen neue Erkenntnisse für den massiven Einfamilienhausbau gewonnen werden. Das M1 Energieplus Massivhaus gehört zu den Forschungsprojekten des Bundeamtes für Bauwesen und Raumordnung im Rahmen der Initiative Effizienzhaus Plus. In den kommenden zwei Jahren wird das Projekt überwacht und mittels verschiedener Messinstrumente und

Bild 1. Gelebte Energiewende im ersten M1 Energieplus Massivhaus

Bild 2. Bewusste Verknüpfung von Wohnen und Mobilität im Forschungsprojekt – die Mercedes A-Klasse ECell fährt mit „erwohnter“ Energie (Fotos: Talebitari)

Kennzahlen ausgewertet. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse sollen die Alltagstauglichkeit des Energieplus-Hauses und der eingebauten Komponenten unter Beweis stellen. Eine wichtige Aufgabe für die beteiligten Partner. Das betonte auch der Vorstandsvorsitzende der Xella International, Jan Buck-Emden, der die Veranstaltung eröffnete. „Wir werden das Projekt weiter entwickeln und sind gespannt auf die Ergebnisse.“ Bei allen technischen Erkenntnissen wird das M1 Energieplus Massivhaus der Testfamilie vor allem auch ein Zuhause. Mandy und Timm Zeppan mit ihrem dreijährigen Sohn Ben werden – ausgewählt aus mehr als 80 Bewerbern – seit Dezember das Haus bewohnen und testen. Zeppans haben fest vor, auch die Öffentlichkeit an Ihren Erfahrungen teilhaben zu lassen, via Website, Youtube und Facebook. Immerhin soll das Konzept in den kommenden Jahren auch bei anderen Einfamilienhäusern Anwendung finden. Ein wichtiger Punkt des Konzeptes ist die Absicht, dass die gewonnene Energie durch Photovoltaik und Solaranlage vor allem den eigenen Verbrauch absichern soll. Die Einspeisung in das öffentliche Netz setzt erst dann ein, wenn die Batteriespeicher, die das Haus bis zu 5 Tage autark versorgen können, aufgeladen sind. Zum Einsatz kommt hier ein moderne Lithium-Ionen Batterie. Die gewonnene Energie wird jedoch ebenso zur Versorgung des Elektromobils genutzt. Gemeinsam mit dem Haus wurde der Familie eine Mercedes A-Klasse E-Cell zur Verfügung gestellt. Diese wird ebenso durch Sonnenenergie „betankt“. Dazu dienen nicht nur die Kollektoren, die auf dem Dach des Hauses montiert sind, zusätzliche Energie liefert das dazugehörige Solar-Carport. Das Fahrzeug dient per spektivisch ebenfalls als Speicher und kann dann benötigte, überschüssige Energie auch an das Haus abgeben.

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Übergabe des ersten Energieplus Massivhauses

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■ Glaselemente als tragende Bauteile sind aus dem Hochbau nicht mehr wegzudenken. Jedoch gehören Tragende Bauteile die ingenieurwissenschaftlichen Grundlagen für Entaus Glas wurf, Bemessung und Konstruktion für die Mehrzahl Grundlagen, Entwurf der Planer in der Praxis noch nicht zur Routine. Dieses und Bemessung, BeiBuch fasst die grundlegenden Kenntnisse über den spiele Baustoff Glas sowie die aktuellen Regelwerke und das 2., ergänzte Auflage 2012. zukünftige, auf Teilsicherheitsbeiwerten basierende ca. 350 Seiten, 121 Abb., Nachweiskonzept nach DIN 18008 für den Konstrukti55 Tab., Br. ven Glasbau zusammen. Es ermöglicht somit einen ca. € 55,–* lückenlosen Planungsprozess vom Entwurf bis zum ISBN: 978-3-433-02914-5 Erscheint Ende 2012 Standsicherheitsnachweis. Als wichtige Grundlagen werden Herstellung, Veredlung und mechanische Eigenschaften von Gläsern im Zusammenhang mit den im Hochbau verwendeten Glasprodukten vorgestellt. Die Vorspannung, Kantenund Oberflächenbeschaffenheit, die Effekte von Isolierglas u. a. glasspezifische Einflüsse auf die Festigkeit und Tragfähigkeit werden besonders erläutert. Die komplexen technischen Regelwerke und die baurechtlichen Vorschriften werden erörtert und mit Vorschriften auf europäischer Ebene verglichen. Die Konstruktion und Berechnung, die Bemessungskonzepte und Nachweisformate sind ausführlich und praxisnah dargestellt. Besonderes Augenmerk gilt der konstruktiven Ausbildung von Details und deren rechnerischer Abbildung. Eine Vielzahl von Bemessungsbeispielen nach den Technischen Regeln des DIBt und nach DIN 18008 dient der Verdeutlichung. Für linienförmig gelagerte Verglasungen werden Hilfsmittel zur Bemessung in Tabellenform zur Verfügung gestellt. Gegenüber der 1. Auflage wurde das Buch wesentlich erweitert, z. B. um Abschnitte zu gebogenem Glas, Dünnglas, Oberflächenbehandlung, Photovoltaikverglasungen, Kleben, Bauteilversuche. G E R A L D S I E B E R T, I R I S M A N I AT I S

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ca. € 39,90* ISBN: 978-3-433-03039-4 Erscheint Frühjahr 2013

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■ Der zunehmenden Bedeutung des konstruktiven Glasbaus entsprechend erscheint nun zum zweiten Mal das Jahrbuch Glasbau. Renommierte Autoren stellen in zahlreichen Fachaufsätzen wegweisende Glaskonstruktionen und innovative Fassadentechnik vor. Das Buch richtet sich an Planende, überwachende Architekten und Ingenieure, Gutachter und Sachverständige für Glasbau und Fassadentechnik sowie den Öffentlichen Dienst und Unternehmen der Glasindustrie und des Metallbaus.

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Glasbau

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Neu: Broschüre „Technische Informationen KVH®, Duobalken®, Triobalken®“ gemäß Eurocode 5-1-1 Die Broschüre „Technische Informa tionen KVH®, Duobalken®, Triobalken®“ der Überwachungsgemeinschaft Konstruktionsvollholz e.V. wurde auf der Grundlage der DIN EN 1995-11:2010 (Eurocode 5-1-1) überarbeitet und steht ab sofort unter www.kvh.eu zum Download bereit. Die Broschüre richtet sich an Architekten, Planer sowie alle Holzbe- und Verarbeiter. Klar gegliedert und übersichtlich gestaltet informiert die Broschüre über Herstellung, technische Eigenschaften, Anwendungsbereiche und Lieferprogramme von KVH®, Duobalken®, Triobalken®. Ausführlich werden die aktuellen Bemessungsgrundlagen nach DIN EN 1995-1-1 (Eurocode 5-1-1) behandelt und in Rechenbeispielen bzw. Tabellen dargestellt. Ausschreibung und technische Regeln, Gütesicherung und Kennzeichnung sowie eine Übersicht der Vorteile von KVH®, Duobalken®, Triobalken® ergänzen die technischen Regeln. Ebenfalls wurde die allgemeine bauaufsichtliche Zulassung Nr. Z-9.1-440 über Duobalken® und Triobalken® erweitert und an den Eurode 5 angepasst. Duobalken® dürfen ab dem 27.06.2012 mit einer über die gesamte Querschnittsbreite angeordnete Keilzinkenverbindung (Universalkeilzinkenverbindung) ausgeführt werden. Die erweiterte Zulassung kann unter www.kvh.eu, “Downloads“, “Vereinbarungen und Zulassungen“ heruntergeladen werden.

Die sehr detaillierten Simulationsergebnisse von IDA ICE sind selbst durch Messungen reproduzierbar (Abb.: EQUA Solutions)

IDA ICE berücksichtigt alle relevanten deutschen Normen und ist nach allen weltweit gängigen Vorschriften validiert. Die Simulationsmodelle sind, so EQUA Solutions, näher an der Physik und an der Realität als andere Gebäudesimulationsprogramme. Die sehr detaillierten Simulationsergebnisse sind deshalb selbst durch Messungen reproduzierbar. IDA ICE eignet sich für viele Planungsaufgaben wie Zertifizierungen (LEED, DGNB etc.), Behaglichkeitsanalysen (DIN 4108-2, DIN EN 15251), Lastberechnungen (VDI 2078), Dimensionierung von Anlagen, Fassadenoptimierung, Entwicklung passiver Konzepte oder innovativer Systeme wie TABS/BTA oder Erdsonden sowie der Betriebsoptimierung des gesamten Gebäudes als System. Für den Spezialisten sind zudem Features wie die extreme Programmtransparenz oder der Zugriff und die Adaptierbarkeit jede Modellkomponente im Advanced Level von großem Interesse.

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Schallschutz und Akustik

Weitere Informationen: EQUA Solutions AG, 8934 Knonau, Schweiz, Tel. +41 44 880 12 12, info@equa.ch, www.equa.ch

Weitere Informationen: Überwachungsgemeinschaft Konstruktionsvollholz e.V., Elfriede-Stremmel-Straße 69, 42369 Wuppertal. Fax +49 (0)202 – 9783579, info@kvh.de, www.kvh.eu

Wegweisende Software für Gebäudesimulation IDA ICE (Indoor Climate and Energy) ist ein laut Herstellerangaben weltweit führendes Programm zur detaillierten dynamischen Simulation von Gebäuden. Gebäudeplaner verwenden trotz heute äußerst leistungsfähiger Rechner für angewandte Energie- und Komfortberechnungen oft noch sehr vereinfachte Methoden, welche nicht selten auf rein statischen Ansätzen beruhen. Mit IDA ICE können die kompletten dynamischen Wechselwirkungen zwischen Gebäude, Anlage, Regelungstechnik, Aussenklima und Gebäudenutzer berechnet werden. Über die moderne Bedieneroberfläche kann ein Gebäudemodell effizient eingelesen oder neu eingegeben werden, Simulationen werden somit für den Spezialisten schneller und flexibler. Zudem erschließt sich aber nun auf Grund der einfachen und intuitiven Programmführung in IDA ICE die Welt der Gebäudesimulation einer stark wachsenden Anzahl von Fachleuten auf dem Gebieten Anlagentechnik, Bauphysik, Energieberatung, Climadesign, Fassadentechnik, usw.

Neuerscheinung: Praxistauglichkeit von Energie Plus Im Herbst vergangenen Jahres ist das Buch „EnergiePLUS – Gebäude und Quartiere als erneuerbare Energiequellen“ von Fisch et al. erschienen. Anhand von zahlreichen Projektbeispielen vom Einfamilienhaus bis zum Stadtquartier stellen die Autoren die Praxistauglichkeit von EnergiePlus vor. Eine detaillierte Beschreibung der konkreten Anforderungen in Planung, Ausführung und Betrieb bildet den Schwerpunkt des Buches. Darauf aufbauend werden verschiedene Versorgungskonzepte und Technologieansätze von EnergiePlus-Gebäuden diskutiert. Auch die globale Herausforderung, den EnergiePlus-Standard auf andere Klimazonen zu übertragen, wird in dem Buch auf Basis konzeptioneller Studien erörtert. Es bietet eine ganzheitliche Zusammenfassung und einen Ausblick zu den zukünftigen Herausforderungen einer CO2-neutralen Energieversorgung im Kontext von EnergiePlus. Fisch, N./Wilken, T./Stähr, C.: EnergiePLUS – Gebäude und Quartiere als erneuerbare Energiequellen, Hrsg. Univ. Prof. Dr.-Ing. M. Norbert Fisch, IGS, TU Braunschweig, Preis 79 € plus Versand ISBN 9-783000-391675, 2012

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Wärmebrücken G+H Schallschutz GmbH Bürgermeister-Grünzweig-Straße 1 67059 Ludwigshafen Tel.: +49 (0) 6 21/5 02-5 25 Fax: +49 (0) 6 21/5 02-5 93 info@guh-schallschutz.de www.guh-schallschutz.de

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Editorial

Gebäudesimulation auf den Größenskalen Bauteil • Raum • Gebäude • Stadtquartier Sehr geehrte Leserinnen und Leser der BAUPHYSIK, vom 26. bis 28. September 2012 fand die vierte deutschösterreichischen BauSIM-Konferenz von IBPSA-Germany mit dem Thema „Gebäudesimulation auf den Größenskalen Bauteil, Raum, Gebäude, Stadtquartier“ an der Universität der Künste Berlin statt. Weshalb wurden die räumlichen Modellskalen zum übergreifenden Thema der BauSIM 2012 gewählt? In letzter Zeit ist die Entwicklung von Energiekonzepten auf städtebaulicher Ebene als auch auf Ebene der gebäudeübergreifenden Energieversorgung in den Mittelpunkt des Interesses geraten. Für einzelne Siedlungen und Stadtteile im Neubau und im Bestand, in manchen Ländern sogar für vollständig neu gebaute Städte (New Towns) werden nachhaltige, energieeffiziente Konzepte unter Einbeziehung erneuerbarer Energiequellen entwickelt. Hierbei werden in der Forschung, in der Entwurfs- und Planungspraxis auf allen Skalen von der Stadt bis zur Gebäudegruppe, vom mehrzonigen Einzelgebäude bis zum Raum und sogar bis

zum Bauteil, unterschiedlichste, häufig auf spezielle Fragestellungen zugeschnittene Simulationswerkzeuge eingesetzt. Oft müssen verschiedene Gebäude-Simulationswerkzeuge auch in Kombination genutzt werden, um komplexe Fragestellungen bearbeiten zu können. Auf der BauSIM 2012 wurden viele Lösungsansätze und Anwendungsbeispiele zu diesem Themenkreis präsentiert. In parallelen Sitzungen mit Schwerpunkten wie z. B. „Stadtmodellierung“, „gebäudeübergreifende Energieversorgungssystemen“, „Simulation vielzoniger Gebäude“, „thermische und hygrischer Komfort in Innenräumen“ oder „Bauteilsimulation“ wurden in über 60 nationalen und internationalen Präsentationen entsprechende Simulationsmethoden, -fragestellungen und -lösungsansätze vorgestellt und diskutiert. Ebenso fokussierten die drei Keynotes der Konferenz auf die Skalen „Stadt und Gebäude“ (Prof. Darren Robinson, The University of Nottingham), „Gebäude und Raum“ (Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. Christoph van Treeck, RWTH Aachen) sowie „Raum und Bauteil“ (Prof. Dr.-Ing. John Grunewald, TU Dresden). Für die vorliegende und die folgende Ausgabe der BAUPHYSIK hat das wissenschaftliche Komitee der BauSIM 2012 zehn Beiträge ausgewählt, welche sich schwerpunktmäßig mit bauphysikalischen Aspekten der Simulation beschäftigen. IBPSA (International Building Perfomance Simulation Association) ist ein umfassendes Forum für Anwender, Forscher und Entwickler im Bereich der thermisch-energetischen, ökologischen und anlagentechnischen Simulation von Gebäuden. IBPSA-Germany wurde 2004 als regionale Dependance gegründet und vereint Mitglieder aus Universitäten, Forschungseinrichtungen und der Industrie aus dem deutschsprachigen Raum. Ich wünsche Ihnen, dass Sie beim Lesen der BauSIM 2012-Beiträge auf neue interessante Aspekte aufmerksam gemacht werden und ermuntere Sie mit den Autoren in eine anregende fachliche Diskussion einzusteigen. Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christoph Nytsch-Geusen

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Fachthemen Sonja Uphoff Manfred Krafczyk Martin Schönherr Maik Stiebler Mani Zargari

DOI: 10.1002/bapi.201310042

Numerische Simulation von Gebäudebelüftung mit einem Lattice Boltzmann-LES-Modell In diesem Beitrag werden Belüftungseffekte am Beispiel des EnergieForums Berlin untersucht. Um Erkenntnisse über den Einfluss fluktuierender Windfelder auf die Belüftung zu erzielen, wird die Windumströmung und Temperatur im und um das Atriumgebäude mit einer Large Eddy Simulation (LES)-Modell zeitaufgelöst und räumlich untersucht. Dazu wird das Lattice Boltzmann-Verfahren mit dem Multi Relaxation Time (MRT)-Modell auf einem D3Q19Gitter verwendet. Das kürzlich entwickelte Eso-Twist-Verfahren, das nur einen einzigen Lattice Boltzmann-Verteilungssatz benötigt, kommt zum Einsatz. Als LES-Modell wird das Smagorinsky-Modell verwendet. Zur Temperaturmodellierung dient das HTLB-Verfahren. Die Simulationen werden CUDA-basiert auf einer GeForceGTX 580 GPGPU durchgeführt. Anhand der Simulationen wird der Abfall der Tracergaskonzentration über der Zeit sowie der mittlere, durch Temperaturunterschiede und äußeren Wind induzierte Fluss bestimmt. Numerical simulation of building ventilation with a Lattice Boltzmann LES model. In this contribution ventilation effects are studied for the EnergieForum Berlin. To estimate the influence of external wind fields on the ventilation process, wind and temperature fields are simulated with a large eddy simulation (LES) model. With this approach spatially-and time-resolved output is generated. The Lattice Boltzmann method is being used on a D3Q19 grid with a multiple relaxation time (MRT) model. The recently developed EsoTwist scheme, which uses only a single set of LB distributions, is employed. The Smagorinsky model serves as the LES model. To model the temperature dynamics, the HTLBE method is used. The simulations are CUDA-based and carried out on a GeForce GTX580 GPGPU. The decay of the tracer-gas concentration over time and the mean flow through the building generated by temperature gradients and external wind is determined.

1 Einleitung Das EnergieForum Berlin wurde 2002 als Atriengebäude errichtet. Es ist darauf ausgelegt, den Energieverbrauch durch spezielle Speicher- und Lüftungstechniken minimal zu halten. Die innovativen Gebäudekonzepte wurden wissenschaftlich begleitet, so dass experimentelle Messungen im Windkanal und CFD-Rechnungen vorliegen [1]. Für die CFD-Rechnungen wurde bisher der Code Fluent mit dem k-e-RANS-Modell verwendet. Als Ensemble-gemitteltes Modell gibt es allerdings keine Informationen über den Einfluss von Windfluktuationen an den Gebäudeöffnungen. Andererseits wird vermutet, dass diese Fluktuationen

einen signifikanten Effekt auf die Belüftungseffektivität haben könnten, wenn beispielsweise verbrauchte Luft zurück ins Gebäude gelangt. Deswegen soll eine von Temperaturströmen getriebene Luftströmung im Atrium hier mit einem LES-Modell untersucht werden. Aufgrund des hohen Rechenaufwands existieren in der Literatur bisher nur wenige CFD-Studien mit LES zur zeitabhängigen Gebäudebelüftung. Eine Ausnahme sind Jiang und Chen [2], die RANSund LES-Modelle mit Experimenten an Räumen in Originalgröße vergleichen. Sie stellen fest, dass die LES-Rechnungen für Lufttemperatur und Belüftungseffizienz zu verlässlicheren Ergebnissen führen als die RANS-Rechnungen. In dem von ihnen untersuchten Fall wurde der Fluss von der mittleren Geschwindigkeit und weniger von der Temperatur bestimmt. Wie Jiang und Chen anmerken, kann LES gerade für sehr kleine äußere Geschwindigkeiten bei hohen Temperaturgradienten Vorteile gegenüber Windkanalversuchen haben. So ein Fall soll hier für das EnergieForum bei geringer Windstärke untersucht werden. Das Lattice Boltzmann (LB)-Verfahren hat sich in den späten 80er Jahren aus den Zellulären Automaten als neuer Lösungsansatz in der Computational Fluid Mechanics entwickelt [3]. Anders als konventionelle Ansätze zur Lösung der Navier-Stokes-Gleichungen, bauen LB-Verfahren auf einer Diskretisierung der Boltzmann-Gleichung zur zeitabhängigen Beschreibung der thermodynamischen Ensembles auf. In ihrer einfachsten Form wird eine Relaxation der Nichtgleichgewichtsanteile der LB-Verteilungen mit einem einzigen Relaxationsparameter, der Kollisionszeit, durchgeführt. Fortgeschrittene Verfahren verwenden mehr als einen Parameter und nennen sich deshalb Multiple Relaxation Times-Verfahren (MRT) [4]. Bei diesen Verfahren wird der Lattice Boltzmann-Kollisionsschritt durch folgende Gleichung beschrieben

(

)

fi∗ (x + ei , t + dt) = fi (x, t) + M−1SM fieq (x, t) − fi (x, t)

(1)

wobei S eine Diagonalmatrix ist, deren Einträge die Relaxationsfaktoren darstellen und f eq i die Gleichgewichtsverteilungsfunktion. Für den kontinuierlichen Fall entsprechen diese Gaußfunktionen. Die lineare Transformation M bildet die diskreten Wahrscheinlichkeitsverteilungen f auf Momente ab. Einige der Relaxationsraten können frei gewählt werden, zum Beispiel um die Stabilität des Verfahrens zu verbessern. Diese sind hier zu eins gesetzt. Das bedeutet, dass die zugehörigen Momente in jedem Zeitschritt einfach

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auf ihren Gleichgewichtswert gesetzt werden. Die verbleibende Relaxationsrate l wird über den Zeitschritt dt und die Viskosität n zu n = (2l – 1)/6 dx2/dt bestimmt. In unserem Fall werden für das LB-Verfahren 19 direkte Nachbarn verwendet, was 19 diskreten Geschwindigkeitsvektoren ei entspricht. Diesem Nachbarschaftsschema liegt ein kartesisches Gitter zugrunde. In Allgemeinen können solche kartesischen Gitter auch nicht-uniform sein [5], [6]. Ein Vorteil des LB-Verfahrens gegenüber konventionellen Verfahren ist, dass das Verfahren sehr lokal ist und deswegen effizient parallelisiert werden kann. Damit eignet es sich auch besonders für Berechnungen auf Grafikkarten (GPGPUs). Dies ist für Anwendungen wie diese besonders wichtig, da Windströmungen in und um Gebäude großskalig und üblicherweise hochturbulent sind. Dadurch ist die numerische Simulation sehr aufwändig, besonders wenn keine einfachen Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS)-Modelle verwendet werden sollen. Wie [7] gezeigt hat, können die etablierten Navier-Stokes-Turbulenzmodelle, die auf Eddy-Vikositätsansätzen beruhen, auch für Lattice Boltzmann-Ansätze verwendet werden. Die einfachste und am weitesten verbreitete Methode unter den Large Eddy-Modellen ist das Smagorinsky-Modell. In diesem Modell ist die turbulente Viskosität einfach proportional zur Dehnrate. Diese kann lokal berechnet werden, ohne dass Informationen von den benachbarten Knoten benötigt werden. Dadurch zeigt das Verfahren optimale Eigenschaften für die Parallelisierung. Die turbulente Viskosität berechnet sich über

nt =

D 2x cs2

3l 2

∑ ∑ ( fi −   a,β 

fieq

)

 eia eiβ  

(2)

Für die Modellierung der Temperaturgleichung wurde das HTLB-Verfahren verwendet (Lallemand and Luo, 2003). In diesem Verfahren wird die Gleichung für die Temperaturdiffusion und -konvektion über eine separate Finite-Differenzen-Gleichung beschreiben. Der Boussinesq-Ansatz wird verwendet. Dabei wird angenommen, dass die Temperaturunterschiede ausreichend klein sind, um die Luftströmung nur durch einen Auftriebsterm zu beeinflussen. Die übrigen Einflüsse der temperaturbedingten Dichteänderungen werden vernachlässigt. Wenn turbulente Strömungen mit einem LES-Modell beschrieben werden, kann die turbulente Diffusion über eine konstante turbulente Prandtlzahl nach Pr = nt/at ermittelt werden, wie von [8] beschrieben wird. Die Simulationen wurden auf einer GTX580-GPGPU von der Firma NVIDIA durchgeführt. Sie ist die leistungsfähigste Single-GPGPU der Fermi-Architektur und verfügt über 3 GB Arbeitsspeicher, der mit mehr als 190 GB/s angebunden ist. Des Weiteren ist sie mit 512 Rechenkernen ausgestattet, die mit einer Taktrate von 1.544 MHz arbeiten. Daraus ergibt sich eine theoretische Floating-Point Performance von 1.581 GFLOPS. Wichtiger als die hohe Rechenleistung ist für unsere Applikation die erwähnte hohe Speicherbandbreite. Die hierfür notwendige Thread-parallele Multicore-Implementierung wurde unter Verwendung des CUDA-Frameworks realisiert. Traditionell wurden für LBM-Implementierungen auf Grafikkarten 2 Sätze von Verteilungen verwendet. Grund

dafür ist die bereits erwähnte Thread-parallele Implementierung. Durch die beiden Datensätze konnte man sicherstellen, dass jeder Thread exklusiv auf seine Daten zugreift und diese einen konsistenten Wert haben. Der begrenzte Speicher auf der Grafikkarte führte zur Entwicklung einer Methode [9], die ebenfalls Thread-sicher ist und trotzdem nur halb so viel Speicher benötigt, ohne die Leistung negativ zu beeinflussen. Im Prinzip wird beim Datenzugriff teilweise lokal und teilweise bei den Nachbarknoten gelesen und geschrieben. Durch eine geschickte Wahl der Reihenfolge kann verhindert werden, dass sich mehrere Threads beim Datenzugriff behindern. Diese Methode hat den Namen Esoteric Twist (Eso-Twist).

2 Simulation 2.1 Aufbau Es wird das oben beschriebene Smagorinsky LES-Modell mit dem D3Q19 MRT Lattice Boltzmann-Verfahren verwendet. Der Propagationsschritt erfolgt mit dem Eso-Twist-Schema. Für die Temperaturgleichung wird das HTLBE-Verfahren benutzt. Der Code ist in CUDA implementiert und wird auf der NVidia-Grafikkarte Geforce GTX580 ausgeführt. In dieser Arbeit werden keine Validierungsbeispiele gezeigt, weil Validierungen der einzelnen Programmkomponenten bereits in anderen Arbeiten durchgeführt wurden, wie zum Beispiel in [10] für das HTLBE-Modell und [11] für die Lattice Boltz mann-Kollision mit dem Smagorinsky Large Eddy-Modell. Ein Finite-Differenzen-Löser für die Gleichung für den Transport des Tracergases als passiver Skalar wurde implementiert, um die Belüftungseffizienz bestimmen zu können. In Bild 1 ist das Studienobjekt EnergieForum Berlin in der Aufsicht gezeigt. Die für die Simulation relevanten Details sind eingezeichnet. Tabelle 1 gibt einen Überblick über die durchgeführten Simulationen und die jeweils gewählten Parameter. Es wurden zwei verschiedene Temperaturdifferenzen zwischen Gebäude und Umgebung betrachtet. Die Außengrenzen des Simulationsgebiets wurden als NoSlipRänder modelliert, so wie es auch in einem Windkanal der Fall wäre. Am Einfluss wurde eine konstante Geschwindigkeit parallel zur unteren Gebäudeöffnung vorgegeben. Dies soll dazu führen, dass die Außenströmung hauptsächlich

Bild 1. Luftbild des EnergieForums Fig. 1. Aerial view of the EnergieForum

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Tabelle 1. Für die Simulation gewählte Parameter Table 1. List of the quantities used in the numerical setup Wert

Bezeichnung

Fluss [m3/s]

Temperaturdifferenz

3 °C/30 °C

Temperatur Außenluft

20 °C

–0,18

Reynoldszahl

15.000

–0,21

Rayleighzahl

1,7 ∙ 1010/1,7 ∙ 1011

–0,01

Prandtlzahl

0,75

–0,04

Gebäudehöhe (Modell)

3 m

–0,07

Gebietslänge/höhe/breite

10,2 m/4,8 m/9,6 m

Simulationszeit gesamt

36 s

Zeitschritte gesamt

300.000

Gitterauflösung

0,375 m

über Fluktuationen auf die Innenströmung wirkt und nur eine geringe mittlere Geschwindigkeit induziert. Es kann auch angenommen werden, dass es sich um eine häufig auftretende Windrichtung handelt, da dies einem Wind in nordwestlicher Richtung entlang der Spree entspricht. Der Ausflussrand wurde über einen konstanten Druck definiert. Für das Temperaturfeld und das Tracergas wurde angenommen, dass die Werte an allen Außengrenzen ihrem Fernfeldwert entsprechen. Zunächst wurde nur das Strömungsfeld und Temperaturfeld berechnet, um einen gültigen Anfangszustand zu erreichen. Nach 24 s simulierter Zeit wurde dann begonnen, die Verteilung des Tracergases über 12 s aufzuzeichnen. Es wurden fünf verschiedene Situationen untersucht, wobei Temperatur und Umgebungsgeschwindigkeit variiert wurden. Eine Auflistung der Parameter für diese fünf Fälle findet sich in Tabelle 2. Da LES-Simulationen immer nur eine von vielen möglichen Realisierungen der turbulen ten Strömungen darstellen, wurden zu jedem Setup zwei verschiedene Rechnungen mit leicht variierten Anfangs werten durchgeführt. In einem zweiten, vereinfachten Setup wurde nur noch das Innere des Atriums simuliert. An der oberen Öffnung wurde ein konstanter Druck angesetzt, an der unteren Öffnung wurde ein konstanter Fluss vorgeben. Es wurden die Flüsse I1 = 0,20 m3/s und I2 = 0,05 m3/s gewählt. Die Tracer gaskonzentration und Temperatur werden an der Einfluss öffnung auf den Fernfeldwert gesetzt und an der Ausflussöffnung extrapoliert. Die erste Simulation mit Fluss I1 sollte in etwa den beiden Simulationen mit hohem Temperaturunterschied (C1 und C2) entsprechen, die zweite dem Tabelle 2. Bezeichnung und Parameter der verschiedenen Simulationen Table 2. Denotation and parameters of the different simulations Bezeichnung

Tabelle 3. Zeitgemittelte Flüsse durch das Atrium Table 3. Time-averaged fluxes through the atrium for the five different cases studied

Geschwindigkeit [m/s]

Temperatur [°C]

Fall C4 (vgl. Tabelle 3). Anhand dieser Tests sollte untersucht werden, inwieweit ein solches vereinfachtes Modell den Verlauf der Tracergaskonzentration reproduzieren kann. Als dritter Schritt wurde eine noch drastischere Vereinfachung durchgeführt: Es wurden die Abnahmen des Tracergases über die Zeit mit exponentiell abklingenden Funktionen verglichen. Es wurde untersucht, ob ein linearer Zusammenhang zwischen der Halbwertszeit des Luftaus tausches und dem mittleren Fluss durch das Gebäude angenommen werden kann. Als Referenz wird die Halbwerts zeit von C2 ermittelt. Die übrigen Halbwertszeiten werden dann über ti = t2 Ii/2 prognostiziert, wie dies aus dem Ansatz von [12] mit Vdk/dt = I k folgt, wobei V das Volumen eines Raumes, k die Konzentration und I der Fluss ist. Verschiedene Räume sowie die Umgebung können über Flüsse gekoppelt werden. Solche zonenbasierten Ansätze sind in den Anwendungen sehr verbreitet, wie dies zum Beispiel in den ASHRAE-Normen [13] oder in [14] beschrieben ist.

2.2 Ergebnisse Bild 2 zeigt den Abfall des Tracergases über die Zeit. Der schnellste Abfall ergibt sich für hohe Temperaturdifferenzen und verschwindenden äußeren Wind (Fall C1). Am schlechtesten funktioniert der Luftaustausch für geringe Temperaturdifferenzen und bei geringem äußeren Wind (Fall C3). Gleichzeitig wurden die mittleren Flüsse an der Eintrittsöffnung bestimmt. Tabelle 3 gibt die Flüsse an, die aus einer Mittelung zwischen den beiden Simulationen bestimmt wurden, wobei die Werte aus den beiden Simulationen um etwa ±0,01 m3/s schwanken. Aus Tabelle 3 ist zu entnehmen, dass die Flüsse, die durch Temperaturdifferenz und äußeren Wind generiert werden, einander entgegengesetzt sind. Im Fall C3 liegt passend zum langsameren Abfall des Tracergases demnach auch ein geringerer mittlerer Fluss vor. Für den Fall C1 scheint die Strömung durch den höheren Temperaturunterschied dominiert zu sein, so dass der relative Unterschied zu C2 geringer ausfällt. Andererseits unterscheidet sich der Verlauf der Tracergaskonzentration zwischen C1 und C2 deutlich. Ein weiterer Aspekt ist, dass die Flüsse sehr viel geringer sind, als dies bei einer laminaren, zeitlich konstanten Verdrängungsströmung aus den Tracergaskonzentrationen rückzuschließen wäre. Zeitabhängige turbulente Effekte scheinen eine wichtige Rolle zu spielen. Für die beiden Realisierungen mit leicht unterschiedlichen Anfangsbedingungen wird ein fast identischer Abfall der Tracergaskonzentration gemessen. Die mittleren Flüsse unterscheiden sich stark. Die instantanen Geschwin-

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digkeiten weichen stark von den gemittelten ab. So liegt beispielsweise für den Fall C3 die turbulente Intensität gemittelt über den Atriuminnenraum bei etwa 100 %. Es ist deshalb davon auszugehen, dass die nur zweidimensional und zeitlich gemittelten Daten stärker fehlerbehaftet sind und dass ein sehr langes Mittelungsintervall notwendig wäre. Mit den in den vorangegangenen Simulationen ermittelten und in Tabelle 3 dargestellten Parametern wurden zwei weitere Simulationen mit dem reduzierten Setup durchgeführt. Für den ausschließlich durch eine Temperaturdifferenz getriebenen Fall C2 ist die Übereinstimmung recht gut, wie Bild 2 zu entnehmen ist. Für den zweiten untersuchten Fall sollte der Abfall etwas schneller als für C4 erfolgen. Stattdessen findet der Abfall langsamer statt. Die Vermutung liegt nahe, dass die fehlenden turbulenten Fluktuationen zu diesem schwächeren Luftaustausch führen. Es wurde nun weiterhin untersucht, inwiefern ein exponentieller Abfall (wie im Abschn. Simulationsaufbau beschrieben) die Geschwindigkeit des Luftaustausches reproduzieren kann. Dies ist in Bild 3 dargestellt. In Anbetracht der erheblichen Messunsicherheiten für die Flüsse kann man von einer weitgehenden quantitativen Übereinstimmung sprechen. Eine Ausnahme bildet der Fall C3. Offensichtlich kann ein auf dem zeitgemittelten Fluss basierender Ansatz nicht zielführend sein, wenn dieser nahezu verschwindet. Im Folgenden sollen nun noch einige qualitative Merkmale der unterschiedlichen Fälle herausgestellt werden. Alle Bilder wurden aus Daten 4,8 s nach Beginn der Tracergasberechnungen erstellt. Bild 4 gibt einen Eindruck von der instantanen Temperaturverteilung im Atrium. In Bild 5 sind die instantanen Geschwindigkeiten für die Gebäudeaufsicht auf der Höhe der unteren Gebäudeöffnung für die Fälle C1 und C2 dargestellt. Die Strömungsgeschwindigkeit im Gebäude ist für beide Fälle vergleichbar, obwohl im oberen Fall keine Außenströmung vorhanden ist. Bild 6 zeigt die Tracer gaskonzentration nach 4,8 s sowie die zeitgemittelten Strom linien für die fünf untersuchten Fälle. Man sieht, dass für die Fälle C1 und C2 die Tracergaskonzentration niedriger ist.

Bild 2. Tracergaskonzentration im Atrium über die Zeit für die fünf untersuchten Fälle und die zwei reduzierten Setups Fig. 2. Decay of the concentration of the tracer gas inside the atrium over time for the five primary cases and the two reduced setups

Bild 3. Vergleich zwischen Ergebnissen und exponentiellem Abfall in Abhängigkeit vom Luftfluss: C1 beige, C2 violett, C3 lila, C4 grün, C5 türkis Fig. 3. Comparison of the simulation results and an exponential decay fit function depending on the flux, C1 beige, C2 pink, C3 violet, C4 green, C5 turquoise

Bild 4. Isokontur auf die Temperatur 6,4 °C, eingefärbt nach der Tracergaskonzentration, für den Fall C2 Fig. 4. Isocontour of the temperature at DT = 6.4 °C for C2, colored by the tracer gas concentration

Bild 5. Instantante Geschwindigkeiten für die Fälle C2 (oben) und C1 (unten) Fig. 5. Instantaneous velocities for cases C1 (bottom) and C2 (top)

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eines Tracergases über die Zeit bestimmt. Da der durch den äußeren Wind induzierte mittlere Fluss dem durch Temperaturunterschiede verursachten Fluss entgegengesetzt war, stellte sich die effektivste Durchlüftung bei verschwindendem äußeren Wind und der höchsten Temperaturdifferenz ein. Dieser Fall konnte auch reproduziert werden, indem nur die Atrieninnenströmung mit dem vorher bestimmten Fluss simuliert wurde. Insgesamt spielt aber die Durchmischung der Luft durch Turbulenz eine wichtige Rolle bei dem Belüftungsprozess. Bei der niedrigeren Temperaturdifferenz von 3 °C bricht der Fluss dramatisch ein. Das Tracergas fällt dabei ebenfalls am langsamsten von den untersuchten Fällen ab, jedoch nicht so langsam, wie dies ohne turbulente Durchmischung anhand der ermittelten Flüsse zu erwarten wäre. In diesem Fall können einfache Modelle, die nur entweder den äußeren Wind oder die Temperatur als dominanten Faktor in Betracht ziehen, keine verlässlichen Aussagen liefern. Es konnte gezeigt werden, dass GPGPU-basierte LES-Simulationen in akzeptabler Rechenzeit Trends zum Verhalten in diesen komplexen dreidimensionalen Situationen liefern können und damit existierende Modelle ergänzen. Für weitergehende Untersuchungen sollten Validierungsrechnungen zu den Windkanalversuchen durchgeführt sowie ein feineres Gitter an den Gebäudeoberflächen verwendet werden, wie dies etwa in den CPU-basierten LB-Simulationen von [15] der Fall ist. Für GPU-basierte Simulationen sind solche Ansätze noch in Arbeit.

Danksagung Sonja Uphoff dankt dem SFB 880 für finanzielle Unterstützung. Ebenfalls für finanzielle Unterstützung dankt Maik Stiebler dem SFB/TR32. Literatur Bild 6. Zeitgemittelte Stromlinien und Tracergaskonzentra tionen für die Fälle C1 (oben) bis C5 (unten) Fig. 6. Time-averaged streamlines and tracer-gas concentrations from top to bottom for cases C1 to C5

Für den Fall C5, bei dem keine Temperaturdifferenz vorgegeben ist, fließt die Strömung in umgekehrter Richtung. Die niedrigste Konzentration liegt an der oberen Öffnung vor. Dass dies für C3 nicht der Fall ist, liegt daran, dass es sich um eine Momentaufnahme handelt und die Strömung stark fluktuiert. Für die Simulation von 36 s Gebäudeumströmung wurden 4 h Rechenzeit benötigt. Bezogen auf die 8,1 Mio. Fluid knoten des Rechengebietes entspricht dies 170 Mio. Knoten updates/s für die gekoppelte Strömungssimulation inklusive Temperaturlöser und Tracergas-Transport.

3 Fazit Die temperaturgetriebene Luftströmung in einem Atrium mit schwachem äußerem Wind wurde simuliert. Die Umströmung des Atriengebäudes wurde dazu mitbetrachtet. Fünf verschiedene Fälle wurden betrachtet, um den Einfluss von Wind und Temperaturunterschied auf das Lüftungsverhalten abschätzen zu können. Dazu wurde der Abfall

[1] Gerder, F.: Bestimmung des durchschnittlichen, windinduzierten Luftwechsels in einem Atrium am Beispiel des EnergieForums Berlin. PhD thesis, TU Braunschweig, 2006. [2] Jiang, Y., Chen, Q.: Buoyancy-driven single-sided natural ventilation in buildings with large openings. International Journal of Heat and Mass Transfer 46 (2003), No. 6, pp. 973–988. [3] McNamara, G., Zanetti, G.: Use of the Boltzmann equation to simulate lattice gas automata. Physical Review Letters 61 (1988), pp. 2332–2335. [4] D’Humières, D., Ginzburg, I., Krafczyk, M., Lallemand, P., Luo, L. S.: Multiple-relaxation-time lattice Boltzmann models in three dimensions. Royal Society of London Philosophical Transactions Series A (2002), pp. 360–437. [5] Freudiger, S., Hegewald, J., Krafczyk, M.: A parallelisation concept for a multiphysics Lattice Boltzmann prototype based on hierarchical grids. Progress in Computational Fluid Dynamics, 8 (2008), No. 1, pp. 168–178. [6] Crouse, B., Rank, E., Krafczyk, M., Tölke, J.: A LB-based approach for adaptive flow simulations. International Journal of Modern Physics B 17 (2003), No. 1/2, pp. 109–112. [7] Teixeira, C.: Incorporating Turbulence Models into the Lattice-Boltzmann method. International Journal of Modern Physics C 9 (1998), No. 8, pp. 1159–1175. [8] van Treeck, C., Rank, E., Krafczyk, M., Tölke, J., Nachtwey, B.: Extension of a hybrid thermal LBE scheme for large-eddy simulations of turbulent convective flows. Computers & Fluids 35 (2006), No. 8/9, pp. 863–871.

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[9] Schönherr, M., Kucher, K., Geier, M., Stiebler, M., Krafczyk, M.: Multithread implementations of the Lattice Boltzmann method on non-uniform grids for CPUs and GPUs. Computers and Mathematics with Applications 61 (2011), No. 12, pp. 3730–3743. [10] Bindick, S.: Ein integrierter Ansatz zur interaktiven dreidimensionalen Simulation gekoppelter thermischer Prozesse. PhD thesis, TU Braunschweig, 2010. [11] Stiebler, M., Krafczyk, M., Freudiger, S., Geier, M.: Lattice Boltzmann Large Eddy Simulation of subcritical flows around a sphere on non-uniform grids. Computers and Mathematics with Applications 61 (2011), No. 12, pp. 3475–3484. [12] Perera, M., Walker, R.: Strategy for measuring infiltration rates in large, multicelled and naturally ventilated buildings using a single tracer gas. Building Services Engineering Research and Technology 6 (1985), pp. 82–88. [13] ASHRAE Standard 68-1998: Ventilation for Acceptable Indoor Air Quality. American Society of Heating, Refrigerating and Air Conditioning Engineers, 1998.

[14] Norrefeld, V., Nuidoui, T., van Treeck, C., Grün, G.: Erstellung eines isothermen zonalen Modells mit Impulserhaltung. Bausim 2010, 2010. [15] Uphoff, S., Geller, S., Krafczyk, M.: Study of flow around a bridge cross-section with a Lattice Boltzmann LES model. International Conference of Wind Engineering 13, 2011.

Autoren dieses Beitrages Dipl.-Phys. Sonja Uphoff, Prof. Dr. Manfred Krafczyk, Dipl.-Ing. Martin Schönherr, Dipl.-Ing. Maik Stiebler Alle: Institut für Rechnergestützte Modellierung im Bauingenieurwesen, TU Braunschweig, PF 3329, D-38023 Braunschweig Dipl.-Ing. Mani Zargari Institut für Gebäude- und Solartechnik, TU Braunschweig, Mühlenpfordtstr. 23, D-38106 Braunschweig

Aktuell VBI fordert professionelles Controlling für Großprojekte und Stabsstelle für die Energiewende Der Flughafen Berlin-Brandenburg, der Bahnhof Stuttgart 21, die Hamburger Elbphilharmonie – wann immer in Deutschland Großprojekte umgesetzt werden, gehören Kostenexplosion, Zeitverzug und ein negatives Image in der Bevölkerung dazu. Bei allen Mega-Vorhaben wurde das „Vier-Augen-Prinzip“ verletzt, kein unabhängiger Experte begutachtet die Kostenberechnung. Bei kaum einem öffentlichen Projekt gibt es Kostenehrlichkeit. „Man plant nicht, was ein Vorhaben wirklich kostet, sondern man korrigiert die oft nur geschätzten Ausgaben so lange nach unten, bis das Bauvorhaben genehmigungsfähig scheint“, erläutert Dr.-Ing. Volker Cornelius, VBI-Präsident die gängige Praxis. Eine belastbare Planung als Grundlage jeder soliden Kostenaussage fehlt zu diesem Zeitpunkt. Die Folge dieser Augenwischerei: Kaum ein Projekt bleibt innerhalb der ursprünglich avisierten Kosten. Der VBI fordert daher endlich ein professionelles Controlling. Der Gesetzgeber müsse den Rahmen schaffen, damit unabhängige Planer und Ingenieure Vorhaben in bestimmten Größenordnungen überprüfen. Auch bei der Energiewende – dem Mega-Projekt der Bundesregierung – deuten sich diese Fehler an. Es gibt keine Kostentransparenz, damit Bürger wissen, was auf ihn zukommt. Zum 1. Januar 2013 tritt die Umlage aus dem Erneuerbare-Energien-Gesetz (EEG) in Kraft. Die Folge: Strom wird teurer. Mit

der Mietrechtsreform wurde gerade bestätigt, dass 11 % der Kosten nach einer energetischen Sanierung auf die Miete umgelegt werden dürfen. Und das dürfte längst noch nicht alles sein, denn es gibt keine realistische Planung, was die Energiewende wirklich kostet. Eine Lösung wäre aus Sicht des VBI die Schaffung einer Stabsstelle für die Energiewende. In dieser Zentrale für ganz Deutschland müssten Politiker, Stromunternehmen und unabhängige Ingenieure zum Beispiel den Ausbau des Stromnetzes planen. Nur so ist die Energiewende nicht nur realisierbar, sondern auch bezahlbar, meint der VBIPräsident. Weitere Informationen: Verband Beratender Ingenieure VBI Presse- und Öffentlichkeitsarbeit Ines Bronowski Budapester Straße 31, 10787 Berlin E-Mail: bronowski@vbi.de Tel. +49(0)30/26062-230 Fax +49(0)30/26062-100 www.vbi.de

Planungshilfe BVF Flächenheizung/-kühlung Bei der Verlegung einer Flächenheizung bzw. -kühlung ist gewerkeübergreifendes Handeln gefragt, im Neubau ebenso wie im Bestand. Die Planungs- sowie Ausführungsarbeiten von Architekt, Planer, Heizungsbauer, Trockenbauer, Estrich leger, Oberbodenleger und ggf. weiteren Beteiligten müssen direkt ineinandergreifen. Nur so lässt sich ein optimaler Bauablauf mit einem hohen Qualitätsstandard erreichen.

Hilfe hierbei bietet der Bundesverband Flächenheizungen und Flächenkühlungen e.V. (BVF): Gemeinsam mit vielen weiteren Verbänden wurden zwei Fachinformationen zur „Schnittstellen koordination bei Flächenheizungs- und Flächenkühlungssystemen“ herausgegeben, bezogen auf Neubauten und den Bestand. Sie ergänzen damit sinnvoll die geltenden Normen bzw. Technischen Regeln. Die einzelnen Aufgabenfelder werden klar definiert, die Verantwortungsbereiche eindeutig abgegrenzt. Mit den integrierten Checklisten und Protokollen werden die einzelnen Planungsbzw. Arbeitsschritte dokumentiert. So dienen die Broschüren Planern, Bauausführenden und Überwachenden als nützliches Instrument bei ihren Tätig keiten. Diese Dienstleistung der Industrie und Verbände bringt für alle Beteiligten deutliche Vorteile mit sich: Die Aufgabentrennung ist klar geregelt, die Kosten werden verringert, es gibt keine Reklamationen und somit auch keinen Ärger auf der Baustelle. Dank der Fachinformationen können die vielfältigen Systemlösungen für Flächenheizungen und Flächenkühlungen in Bestand und Neubau optimal eingesetzt werden. Die Broschüren können unter www. flaechenheizung.de abgerufen werden. Weitere Informationen: Bundesverband Flächenheizungen und Flächenkühlungen e. V. Hochstraße 115, 58095 Hagen Tel. +49(0)2331/200850 Fax +49(0)2331/200817 E-Mail: info@flaechenheizung.de www.flaechenheizung.de

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Fachthemen Ralf Gritzki Markus Rösler Tobias Waltjen Thomas Zelger

DOI: 10.1002/bapi.201310040

Komfort für Passivhaus-Büros − Planungsunterstützung mit Hilfe gekoppelter Gebäude-, Anlagen- und Strömungssimulation Im Zuge der hier vorliegenden Studie wurden umfangreiche numerische Untersuchungen verschiedener Klimatisierungskonzepte für ein typisches Passivhausbüro durchgeführt. Dabei standen sowohl energetische Aspekte als auch Aspekte des erzielbaren thermischen und hygienischen Komforts im Fokus der Betrachtungen. Die Untersuchungen erfolgten mittels gekoppelter Gebäude-, Anlagen- und Strömungssimulation und erstreckten sich über eine Vielzahl zentraler und dezentraler Heiz-, Kühl-, Verschattungs- und Belüftungssysteme und deren Kombinationen. Die Resultate der Untersuchungen verdeutlichen, dass auch für Bürogebäude mit ihren spezifischen Nutzungsmerkmalen, wie der höheren Belegungsdichte und erhöhter interner thermischer Lasten (gegenüber Wohngebäuden) eine Bauweise im Passivhausstandard empfehlenswert ist. Bezüglich der Klimatisierungsvarianten zeigte sich zudem, dass eine Trennung von Belüftung und Temperierung (z. B. über Heiz-/Kühldecken) bei gleichzeitiger bodennaher Einbringung der Zuluft im Sinne des Quellluftprinzips den besten Kompromiss bezüglich Energieeffizienz und Behaglichkeit darstellt. Coupled heating, cooling and ventilation simulation with CFD for thermal comfort in a passive house standard office building. In the course of this study extensive numerical investigations of different heating, ventilation and cooling concepts were carried out for a typical passive house office. As well the energetic aspects as the thermal and hygienic comfort were taken into account. The investigations were performed by building and system simulation coupled to computational fluid dynamics (CFD). A big variety of centralized and decentralized heating, cooling, ventilation and sun screen systems and their combinations were analyzed. The results clearly show that also for office buildings with their specific feature of usage as dense occupancy and high internal loads the construction form as a passive house is advisable. In terms of heating, cooling and ventilation it was shown that a separation of ventilation and temperature regulation (e.g. by heating or cooling ceilings) with simultaneous air supply close to the floor (displacement ventilation) seems to be the best compromise between energy efficiency and thermal comfort.

1 Einleitung Infolge einerseits stetig steigender Energiekosten und der andererseits vom Gesetzgeber geforderten, sich zunehmend verschärfenden Maßnahmen zur Energieeinsparung steigen auch die Anforderungen an den Wärmeschutz für Industriegebäude. Somit rücken Bürogebäude im Passivhaus-

standard verstärkt in den Fokus des allgemeinen Interesses. Zudem zeigt sich immer häufiger, dass die in Bürogebäuden oft vorkommenden großen Glasfassaden in Verbindung mit einer sehr dichten, gut gedämmten Gebäudehülle nicht unerhebliche thermische Belastungen unter sommerlichen Bedingungen zur Folge haben können. Die sich daraus ergebenden Konsequenzen für den Nutzerkomfort stehen im Fokus der hier vorgestellten Untersuchungen. Dabei wurden für ein typisches Büro im Passivhausstandard verschiedene Möglichkeiten der Flächenheizung und -kühlung in Verbindung mit unterschiedlichen Lüftungsgeräten und -systemen kombiniert und deren Auswirkungen auf das Büroklima sowohl unter sommerlichen als auch unter winterlichen Bedingungen simuliert. Zur Beurteilung der einzelnen Anlagenkonzepte erfolgte neben der Bewertung der energetischen Effizienz insbesondere die zeitlich und räumlich hoch aufgelöste Betrachtung der sich ergebenden Luftverteilungen im Büro und der Behaglichkeit aus thermischer und hygienischer Sicht gemäß DIN EN ISO 7730 [1]. Die hier vorgestellten Untersuchungen selbst sind Teil einer umfassenden Studie zum Komfort in PassivhausBüros, die in Zusammenarbeit mit dem IBO Wien durchgeführt wurde und in einem entsprechenden Handbuch mündeten [2]. Dabei erfolgten neben den hier vorgestellten Untersuchungen zur Behaglichkeit auch Betrachtungen zu Tageslichtsimulationen sowie zur Energieeffizienz der betrachteten Anlagensysteme für dieses und weitere Büros verschiedener Größe und Ausstattung.

2 Berechnungswerkzeuge 2.1 Beschreibung des genutzten Programmsystems Das für die Untersuchungen eingesetzte Programmpaket entstand als Forschungscode in gemeinschaftlicher Entwicklung verschiedener Institute der TU Dresden und der Universität Göttingen. Dabei handelt es sich um ein gekoppeltes System aus thermischer Gebäude- und Strömungssimulation, mit dem die Untersuchung thermischer und aerodynamischer Einflüsse auf die Behaglichkeit und Luftqualität in Räumen und Gebäuden möglich ist [3]. Hierzu erfolgte eine wechselseitige Kopplung der thermischen Gebäudesimulation mit der numerischen Berechnung der Raumluftströmung im Zeitbereich der instationären Simulationen unter Ausnutzung der programmintern implementierten Parallelisierung. Das so entstandene Berechnungs-

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werkzeug ermöglicht, alle thermischen und aerodynamischen Phänomene zu berücksichtigen, die für die vorgenommene, umfassende Bewertung des Beheizungs-, Kühlund Lüftungskonzeptes notwendig waren. Ein großer Vorteil des Programmpakets ist der uneingeschränkte Quelltextzugriff und der modulare Aufbau. Verbunden mit der offenen Kopplungsstrategie ergibt sich so eine sehr gute Möglichkeit, das Paket optimal an die jeweils aktuell zu bearbeitenden Problemstellungen anzupassen. Das Programmpaket ist inzwischen in zahlreichen Projekten eingesetzt und verifiziert worden. Details zu den einzelnen Komponenten und zum Umfang der nutzbaren Ergebnisgrößen folgen in den kommenden Abschnitten.

2.2 Gebäude- und Anlagensimulation TRNSYS-TUD Für die Simulation der Gebäudehülle, der klimatischen Bedingungen sowie der Anlagentechnik kommt mit TRNSYSTUD eine an der TU Dresden umfassend erweiterte Version des kommerziellen Gebäudesimulationsprogramms TRNSYS zur Anwendung, siehe [3]. Hierbei handelt es sich um ein Programm zur Gebäude- und Anlagensimulation, das (knotenmodellbasiert) thermische Simulationen über große Zeiträume (Jahresgänge) und in sehr komplexen Gebäuden ermöglicht. Die guten Voraussetzungen zur Erweiterung sind begründet durch den modularen Aufbau des Programmsystems und die allgemein gültigen Nutzerschnittstellen. Einige grundlegende Merkmale und Eigenschaften der an der TU Dresden entstandenen Version sind: – die Einbeziehung der Berechnung des räumlich hoch aufgelösten Strahlungswärmeaustauschs und Berücksichtigung direkter Solarstrahlung, – die Möglichkeit der Einbeziehung der Gebäudedurchund -umströmung unter Nutzung verschiedener Ansätze zur Durchströmung großer Öffnungen, – die Berechnung des instationären Feuchtetransports in Raumumschließungskonstruktionen und in Räumen unter Nutzung entsprechender Modelle, – die integrierte Simulation verschiedenster Anlagen der technischen Gebäudeausrüstung, wie Heizkessel, Heizungsnetze, Regelungstechnik u. v. m., – die räumlich hoch aufgelöste Berechnung der Temperatur- und Strömungsfelder sowie des lokalen Wärmeüberganges an den beteiligten Wandflächen durch wechselseitige Kopplung mit der Strömungssimulation.

2.3 Strömungssimulation ParallelNS Zur Untersuchung der Strömungsverhältnisse erfolgt die Lösung der instationären, inkompressiblen und nichtisothermen Impulstransportgleichung, der Energiegleichung und der Transportgleichung für das lokale Luftalter mit dem Programmsystem ParallelNS [4]. Der Diskretisierung der entsprechenden Berechnungsgebiete liegt hierbei ein stabilisierter Finite-Elemente-Ansatz (GLS-FEM) unter Nutzung linearer Tetraederelemente zugrunde. Weitere Details hierzu sind unter anderem in [5] zu finden. Zusätzlich ist die Berechnung weiterer Transportgleichungen z. B. für die Simulation der CO2-Ausbreitung bzw. -Verteilung möglich. Die Vorgabe beliebiger lokaler und globaler Wärme-, Feuchte- und Schadstoffquellen ist ebenso realisierbar wie die Definition komplexer Eintritts- und Austrittsbedingun-

gen. Somit ergibt sich eine sehr gute Möglichkeit der Berechnung komplizierter Strömungsverhältnisse, wie sie z. B. bei natürlicher Lüftung oder bei Berücksichtigung von Personen und technischen Anlagen auftreten. Die Approximation der in dieser Strömungsklasse dominanten turbulenten Strömungsstrukturen erfolgt auf Basis statistischer Turbulenzmodelle, teilweise unter Nutzung einer speziellen, iterativen Berechnung der Grenzschichtverläufe im wandnahen Bereich. Somit besteht die Möglichkeit einer sehr guten und von der Vernetzung der Wandbereiche weitgehend unabhängigen Vorhersage des Wärmeüberganges an den Wänden. Die Berechnungen können parallelisiert ausgeführt werden. Deren Vorteile kommen letztlich auch bei der Anbindung der thermischen Gebäudesimulation zur Geltung. Für die Untersuchungen beliebiger Zuluft- und Abluftkonzepte in Hinblick auf die Bewertung von Luftqualität und Luftalter wurde neben der Berücksichtigung der entsprechenden Transportgleichungen die Berechnung einer Vielzahl von Bewertungskriterien und Referenzgrößen implementiert, siehe auch [5].

2.4 Bewertungskriterien, abgeleitete Größen In diesem Abschnitt erfolgt eine kurze Übersicht über die für die Untersuchungen und Bewertung der einzelnen Varianten herangezogenen Variablen und Feldgrößen. Neben den für die Behaglichkeitsauswertung erforderlichen Variablen wird vertiefend auf die Definition des Prozentsatzes Unzufriedener infolge Zugbelastung (Draught rating, DR) und auf das lokale Luftalter eingegangen, da sich diese Größen besonders aussagekräftig für die Beurteilung und den Vergleich von Lüftungskonzepten eignen. Weitere ausführliche Informationen zu den verwendeten Hilfsgrößen befinden sich in [1] sowie in [6]. Feldgrößen zur Beurteilung der thermischen Behaglichkeit, die aufgrund der durchgeführten Strömungssimulation räumlich und zeitlich hoch aufgelöst direkt vorliegen, sind: – die Lufttemperatur ϑL, – die mittlere Luftgeschwindigkeit vm, – das lokale Luftalter τp, – die CO2-Verteilung. Darauf aufbauend besteht die Möglichkeit, weitere abgeleitete Größen, wie – die operative Temperatur ϑop als luftgeschwindigkeitsabhängiges Verhältnis lokaler Strahlungstemperatur und dazugehöriger Lufttemperatur, – das vorausgesagte mittlere Votum (Predicted Mean Vote, PMV) als empirische Berechnungsgröße zur Ermittlung der thermischen Behaglichkeit im Wertebereich von sehr kalt (–3) über neutral (0) bis sehr warm (+3), – verschiedene Kriterien zur Beurteilung der Strahlungsasymmetrie, – die CO2-Verteilung in parts per million (ppm) als Maß für die Schadstoffausbreitung in der Raumluft zu bestimmen und somit eine umfassende Analyse der Behaglichkeitszustände im Untersuchungsgebiet vorzunehmen. Neben diesen Größen stehen mit dem – lokalen Luftaustauschindex εap,t und dem – Zugluftrisiko DR

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zwei weitere Größen für die Analyse der Luftverteilung zur Verfügung. Der lokale Luftaustauschindex ist hierbei ein (als Feldgröße verfügbares) Kriterium für die Verweilzeit der Raumluft im Untersuchungsgebiet und somit ein Maß für die Luftqualität und die Frischluftversorgung. Aus Gründen der besseren Vergleichbarkeit verschiedener Simulationen untereinander wurde das Luftalter mit dem entsprechenden Wert am Austritt normiert. Hierbei bedeutet εap,t > 1 eine sehr gute Frischluftversorgung, εap,t um 1 dagegen ein Alter nahe idealer Durchmischung. Werte deutlich unter 1 weisen auf Regionen mit verbrauchter, alter Luft und somit auf Kurzschlusseffekte hin, siehe auch [5]. Die oft mit „Zugluftrisiko“ (engl. draught rating) bezeichnete Größe stellt den Prozentsatz Unzufriedener infolge Zugbelastung dar. Hierbei handelt es sich ebenfalls um eine empirische Größe, mit deren Hilfe man allgemeingültige Aussagen bezüglich eventuell auftretender Probleme durch Zugerscheinungen quantifizieren kann. In diesem Sinne ist DR also ein weiteres Kriterium bezüglich der Behaglichkeit im Aufenthaltsbereich. Durch die gleichzeitige Berücksichtigung mehrerer Einflussgrößen (Luftgeschwindigkeit, Lufttemperatur und Turbulenzgrad der Luft) eignet sich DR besonders für die hier vorgenommenen Untersuchungen. Bild 1 zeigt beispielhaft eine Darstellung der Abhängigkeiten dieses Kriteriums von den einzelnen Einflussgrößen.

Bild 1. Prozentsatz Unzufriedener infolge Zugbelastungen Fig. 1. Percentage of unsatisfied people due to draught risk

3 Variantenbeschreibung Da allen 24 untersuchten Varianten stets vergleichbare Parameter für Raumgeometrie, Wandaufbauten, Nutzerprofile und Wetterdatensätze zugrunde lagen, erfolgt in einem ersten Abschnitt die Vorstellung dieser für alle Varianten gültigen Randbedingungen. Daran schließt sich in einem weiteren Abschnitt die Beschreibung der untersuchten Anlagenkonzepte an.

3.1 Parameter – Simulation, Gebäude, Wetter, Nutzer Gebäude Bild 2 zeigt zur besseren Übersicht die Darstellung der Umfassungsflächen des untersuchten Büroraumes bei Be-

Bild 2. Geometrie mit Nutzern und Kühlsegel Fig. 2. Room geometry with cooling sail and occupants

legung mit drei Personen. Das Büro hat die Maße Breite × Tiefe × Höhe = 5,3 m × 5,8 m × 3,3 m. Die Raumhöhe beträgt davon abweichend in einigen Varianten mit abgehängter Decke 3,0 m. Oberhalb der Brüstung erstreckt sich über die gesamte Breite des Büros ein Fensterband. Die Tür befindet sich auf der gegenüberliegenden Seite. Oberhalb der Tür wurden ein Oberlicht und ein Gitter zur Luftabsaugung integriert. Die Schreibtische befinden sich an den Seitenwänden und zwischen den Nutzern steht ein Büroschrank. Im Boden- und Deckenbereich sowie neben der Tür und im Brüstungsbereich wurden zudem diverse Zuluftsysteme angeordnet, die sich entsprechend der jeweils zu untersuchenden Belüftungsvariante aktivieren lassen. Bild 2 zeigt zusätzlich ein geometrisch detailliert nachgebildetes Hochleistungskühlsegel mit der entsprechenden Profilform, das so in einer der untersuchten Varianten modelliert wurde. Die Wandaufbauten der Außenhülle und die Verglasung (U-Wert von 0,6 W/m2K) entsprechen den Vorgaben des Passivhausstandards, für weitere Details hierzu sei auf [2] verwiesen. Die Aufbauten von Boden und Decke variieren entsprechend der jeweils betrachteten Variante. Hierbei wurden neben einfachen Hohlraumböden auch Wandaufbauten für Betonkernaktivierung, Fußbodenheizungen und Kühlungen sowie Heiz- und Kühldecken modelliert. Das Mobiliar wurde in seiner Eigenschaft als Strömungshindernis berücksichtigt und deshalb aus adiabaten Flächen aufgebaut. Zudem sorgt eine außenliegende Verschattung dafür, dass keine direkte und nur vermindert diffuse Solarstrahlung in den Raum gelangen kann. Wetter Für winterliche Verhältnisse wurde ein stetig wiederkehrender Tag mit konstanten Witterungsbedingungen angenommen. Die Außentemperatur liegt ganztägig bei ta = –5 °C. An der Fensterfront trifft am Tage keine direkte Solarstrahlung und lediglich 100 W/m2 diffuse Solarstrahlung auf. Für sommerliche Bedingungen wurde für die Untersuchungen ein ebenfalls stetig wiederkehrender sehr heißer Sommertag mit Temperaturspitzen bis zu 30 °C und hohen solaren Lasten gewählt.

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Nutzer/Grundlüftung Die Belegung/Nutzung des Büros erfolgte werktags zwischen 08:00 Uhr und 18:00 Uhr (davon 08:00–08:30 und 17:30–18:00 um 50 % reduziert) mit 3 Personen und 300 W Leistungsabgabe für Computer. Zusätzlich wurden 8 bzw. 15 W/m2 für Beleuchtung angenommen. Die Personen wurden entsprechend Bild 3 geometrisch als Strömungshindernis sitzend modelliert, ihre Oberfläche ist adiabat. Somit sind die sichtbaren Oberflächentemperaturen die unmittelbar umgebenden Lufttemperaturen. Die Wärmeabgabe der Personen wird in den Simulationen temperaturabhängig ermittelt und teilt sich in etwa in 55 W/Person konvektiv und in 25 W/Person durch Strahlung auf. Der Bekleidungsgrad der Personen für die Ermittlung des PMV variierte jahreszeitabhängig, der Aktivitätsgrad entsprach sitzender Tätigkeit. Der Energieeintrag erfolgte jeweils als zylindrische, die Personen umschließende Volumenquellen (Radius 0,4 m, Höhe 1,1 m). Die CO2-Abgabe der Personen betrug jeweils 20 l CO2/h. Der CO2-Eintrag erfolgte ebenfalls als zylindrische, die Köpfe der Personen umschließende Volumenquelle (Radius 0,4 m, Höhe 0,3 m, Mittelpunkt bei Z = 1,15 m). Für die Energieabgabe der integrierten Technik wurde eine Volumenquelle im gesamten Raum definiert, die Energie wird dabei zu 100 % konvektiv wirksam. Für die Beleuchtung, die zu 60 % konvektiv und zu 40 % durch Strahlung raumwirksam wird, wurde eine eigene Volumenquelle speziell im Deckenbereich modelliert.

3.2 Anlagentechnische Details/Varianten Zur Sicherung des Grundluftwechsels wurde für die drei Personen ein Volumenstrom von 105 m3/h angesetzt und entsprechend der zu berechnenden Variante auf die jeweiligen Lüftungsöffnungen verteilt. Die dabei gewählte Unter- bzw. Übertemperatur variierte ebenfalls entsprechend den für die modellierte Anlagentechnik üblichen Vorgaben. Die Luftabsaugung übernahm in der überwiegenden Mehrzahl der Varianten ein Abluftgitter oberhalb der Innentür. Die Regelung der Anlagentechnik erfolgte nach der operativen Temperatur an einem Sensorpunkt, der sich mittig zwischen den zwei sitzenden Personen und in 0,6 m

Höhe befindet. Somit war gewissermaßen ein Nutzereinfluss auf die Regelung gegeben. Als Zielgröße für die Regler wurde unter sommerlichen Bedingungen 26 °C und unter winterlichen Bedingungen 22 °C gewählt. In der Mehrheit der untersuchten Konstellationen kamen PI-Regler zur Anwendung, in einigen Lüftungssystemen allerdings auch Mehrpunktregler, die dem Verhalten der nachgebildeten realen Anlagen entsprachen. Die Anlagenregelung startete um 6:00 und endete um 20:00 Uhr, im Falle der relativ trägen Betonkernaktivierung erfolgte der Start der Regelung bereits um 0:00 Uhr. Für weitere regelungstechnische Details sei auf [2] verwiesen. Die untersuchten anlagentechnischen Varianten beinhalten sowohl Systeme, in denen Belüftung und Temperierung getrennt voneinander erfolgten, als auch solche, in denen beide Aufgaben gemeinsam von einem System übernommen wurden. Zu den erstgenannten zählen Quellluftsysteme in Verbindung mit Heiz-/Kühldecken oder Betonkernaktivierung. Typische Vertreter für die zweitgenannten sind Systeme mit Ventilatorkonvektoren, Induktionsbalken oder Deckenfancoil. Insgesamt wurden die nachfolgend aufgeführten anlagentechnischen Varianten untersucht: – Quelllüftung und Putzkühldecke mit Kapillarrohrmatte – Sommer, – Drallauslässe im Boden und Putzheiz-/-kühldecke mit Kapillarrohrmatte – Sommer und Winter, – Lüftungsgitter und Fußbodentemperierung – Sommer und Winter, – Quelllüftung und Betonkernaktivierung – Sommer und Winter, – Lüftungsgitter und Ventilatorkonvektoren – Sommer und Winter, – Ventilatorkollektoren mit Primärluftanteil – Sommer und Winter, – Ventilatorkonvektoren als Komfortbrüstungsgeräte – Sommer, – Drallauslässe im Boden und Betonkernaktivierung – Sommer und Winter, – Lüftungsgitter und Betonkernaktivierung – Sommer und Winter, – Quelllüftung und Fußbodenkühlung – Sommer und Winter, – Lüftungsgitter und Deckenfancoil – Sommer und Winter, – Deckeneinbaugerät mit Drallauslässen – Sommer, – Induktionskühlgerät (Kühlbalken) – Sommer und Winter, – Kühlsegel mit Quellluftauslass – Sommer und Winter. Da die Diskussion aller Varianten zu umfangreich für diesen Beitrag wäre, erfolgt die Variantenbeschreibung hier lediglich in Form einer Übersicht, alle entsprechenden Details zu speziellen Fragen der Regelung und Modellierung der einzelnen Systeme sind in [2] zu finden.

Bild 3. Strömung im Bereich der Personen Fig. 3. Air flow in the close-up range of the occupants

Simulation Die Vernetzung des Raumes erfolgte tetraederbasiert und je nach untersuchtem Anlagenkonzept mit einer Gitterauflösung von etwa 350.000 bis 650.000 Elementen. Aufgrund des genutzten Turbulenzmodells mit iterativer Grenzschichtberechnung war die Modellierung von vereinfachten Wandgrenzschichten mit wandnächsten Knoten bei 5 cm

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Wandabstand ausreichend. Alle strömungsrelevanten Hindernisse, wie Personen, Tische und Schränke, wurden in der Vernetzung entsprechend berücksichtigt. Zu Beginn der Simulationen erfolgte die Berechnung einer 14tägigen Einschwingphase innerhalb der Gebäudesimulation. Die gekoppelte Gebäude- und Strömungssimulation startete jeweils am 15. Tag (Montag) um 06:00 Uhr bzw. 8:00 Uhr und erstreckte sich über den gesamten Arbeitstag bis 20:00 Uhr. Für die Ergebnisauswertung lagen die entsprechenden Daten an ausgewählten Sensorpunkten zeitlich hoch aufgelöst und darüber hinaus zu jeder vollen Stunde räumlich hoch aufgelöst vor.

4 Ausgewählte Ergebnisse Aufgrund des Umfanges der verfügbaren Resultate erfolgt die Ergebnisdarstellung lediglich in Auszügen und anhand zweier ausgewählter und repräsentativer Beispiele.

Bild 5. Operative Temperatur in Vertikalschnitten zum Zeitpunkt 14 Uhr – Kühlsegel Fig. 5. Perceived temperature in vertical planes, 2 pm – cooling sail

4.1 Kühlsegel mit Quellluftauslass – Sommer Eine aus Sicht des Nutzerkomforts sehr gute Anlagenkombination zur sommerlichen Raumkonditionierung stellt die Verbindung einer Quelllüftung mit einem Hochleistungskühlsegel dar. Die Kühlleistung des Segels wurde über eine thermoaktive Schicht innerhalb der Kühlsegelkonstruktion realisiert und betrug maximal 150 W/m2. Das Kühlsegel hängt in einer Höhe von 3 m und hat die Ausmaße 3,4 m × 4,0 m (Tiefe × Breite), geregelt wurde es über einen PIRegler nach der beschriebenen Sensortemperatur. Die Zulufteinbringung erfolgte über einen Quellluftauslass unterhalb der Fensterfassade mit konstantem Volumenstrom von 105 m3/h und einer gleitenden Zulufttemperatur, jeweils 4 K unter der Sensortemperatur. Die Abluftabsaugung befand sich oberhalb der Tür. In Bild 4 erfolgte die Darstellung der zeitlichen Verläufe der Temperaturen für Sensor, Zuluft und Abluft sowie für die Außentemperatur am Kopplungstag. Anhand der

Bild 4. Tagesverlauf der Temperaturen – Quellluft mit Kühlsegel Fig. 4. Temperature profiles – displacement ventilation and cooling sail

Bild 6. PMV in 0,6 m Höhe zum Zeitpunkt 14 Uhr – Kühlsegel Fig. 6. Predicted Mean Vote, 2 pm – cooling sail

Bild 7. Lokaler Luftaustauschindex in Vertikalschnitten zum Zeitpunkt 14 Uhr – Kühlsegel Fig. 7. Air Exchange Index in vertical planes, 2 pm – cooling sail

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Darstellung ist nur ein leichtes Überschwingen der Solltemperatur feststellbar, die Anforderungen an den thermischen Komfort werden weitestgehend erfüllt. Diese Aussage bestätigen auch die sehr gleichmäßigen Darstellungen von PMV und operativer Temperatur in den Bildern 5 und 6. Die sichtbaren Werte entsprechen über den gesamten Aufenthaltsbereich den durch die Regelung vorgegebenen Zielgrößen. Aus Sicht der Verteilung der Zuluft ist in Bild 7 das typische Verhalten einer Quelllüftung zu erkennen. Hier erfolgte die Darstellung des lokalen Luftaustauschindex für ausgewählte vertikale Schnittebenen. Es bildet sich ein deutlicher Frischluftsee aus (dunkelblau) und die kühlere Luft aus diesem Bereich steigt an den Personen aufgrund ihrer Wärmeabgabe nach oben. Aus hygienischer Sicht ist diese Variante somit ebenfalls als sehr günstig einzustufen.

4.2 Lüftungsgitter und Ventilatorkonvektoren – Sommer Eine aus Sicht der Luftqualität eher ungünstig einzustufende Variante zur sommerlichen Raumkonditionierung stellt die Kombination eines Lüftungsgitters im Deckenbereich zur Frischluftversorgung mit der zeitgleichen Nutzung von Ventilatorkonvektoren zur Luftkühlung im Brüstungsbereich dar. Die zwei modellierten Ventilatorkonvektoren wurden als Umluftgeräte ausgeführt und in die Brüstung unter dem Fensterband integriert. Die Luftansaugung erfolgte bei y = 1,6 m und 4,2 m im unteren Brüstungsbereich (H × B = 0,15 m × 0,8 m), die Ausblasung jeweils darüber im Fensterbrett (H × B = 0,1 m × 0,8 m). Die maximale Kühlleistung der Konvektoren betrug je 2,42 kW in der höchsten Leistungsstufe bei einer Untertemperatur von 15 K (minimale Austrittstemperatur: 14 °C) und einem Luftvolumenstrom von 484 m3/h. Die Regelung erfolgte stufenweise über einen Zweipunktregler (Ein-/Ausschaltpunkt: 26/24 °C) nach der operativen Temperatur am Sensorpunkt. In der hier vorliegenden Konstellation war die erste Leistungsstufe der Konvektoren mit je 252 m3/h ausreichend (Austrittsgeschwindigkeit max. 1,3 m/s). Die Frischluftversorgung erfolgte isotherm mit konstantem Volumenstrom von 105 m3/h über ein Lüftungsgitter mittig im Deckenbereich an der Innenwand. Die Abluft wurde wieder über der Tür abgeführt. Anhand der Darstellung der Temperaturverläufe am Kopplungstag in Bild 8 erkennt man deutlich ein starkes Takten der Konvektor-Regelung. Das lässt den Schluss zu, dass die hier genutzten Geräte überdimensioniert sind beziehungsweise die Regelung noch nicht optimal eingestellt ist. Letztlich bietet diese unstetige Betriebsweise aber den Vorteil einer jeweils für kurze Zeiträume stärkeren Durchmischung der Raumluft, was sich auf das Raumklima insgesamt positiv auswirkt. Der entscheidende Nachteil der hier untersuchten Anlagenkonzeption liegt eindeutig in der getrennten, isothermen Zulufteinbringung. Dadurch erfolgt eine Separation der Raumluft in zwei Bereiche, einen oberen, in dem sich warme Frischluft sammelt und einen unteren, in dem ältere und belastete, aber durch die Konvektoren gekühlte Luft zirkuliert. Ein mögliches Eindringen des Zuluftstromes wird zudem durch die nach oben ausblasenden Kon-

Bild 8. Tagesverlauf der Temperaturen – Ventilatorkonvektoren Fig. 8. Temperature profiles – fan coil

vektoren behindert. Das verdeutlichen auch die Bilder 9 und 10. Man erkennt die vertikale Temperaturschichtung innerhalb des Raumes und die horizontale Trennung von Zuluft und älterer Raumluft. Somit erscheint die Nutzung von Ventilatorkonvektoren im reinen Umluftbetrieb nicht sinnvoll. Bringt man hingegen die Zuluft direkt über die Ventilatorkonvektoren als Primärluftanteil ein, erhält man eine ausgezeichnete Frischluftversorgung, was sich auch in einem sehr guten lokalen Luftaustauschindex widerspiegelt, siehe Bild 11. Bedingt durch die hohen Volumenströme und die Temperaturdifferenzen muss man beim Einsatz von Ventilatorkonvektoren mit Zugbelästigungen im Aufenthaltsbereich rechnen (Bild 12). Diese treten allerdings nur in den relativ kurzen Betriebsintervallen auf und sind somit möglicherweise von untergeordneter Bedeutung für die thermische Behaglichkeit.

Bild 9. Lufttemperatur, Vertikalschnitte zum Zeitpunkt 10 Uhr – Ventilatorkonvektoren Fig. 9. Air temperature in vertical planes, 10 am – fan coil

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Fazit Die Resultate der zwei vorgestellten Anlagen liefern einen guten Einblick in die Komplexität der hier untersuchten strömungstechnischen Effekte und Wechselwirkungen. Weitere Details sowie die Ergebnisdarstellung und die ausführliche Bewertung aller Varianten sind in [2] zu finden.

5 Zusammenfassung

Bild 10. Lokaler Luftaustauschindex, Vertikalschnitt, Zeitpunkt 10 Uhr – Ventilatorkonvektoren Fig. 10. Air Exchange Index in vertical planes, 10 am – fan coil

Bild 11. Lokaler Luftaustauschindex, 10 Uhr – Ventilatorkonvektoren mit Primärluftanteil Fig. 11. Air Exchange Index in vertical planes, 10 am – fan coil with primary air rate

Die im Rahmen dieser Studie untersuchten Systeme lassen sich einteilen in: – bodennahe Quellluftsysteme und Drallauslassdüsen im Boden, die separate Systeme für die Wärme- und Kälteabgabe benötigen, – deckennah an der Rückwand angeordnete Luftgitter, die ebenfalls separate Systeme für die Wärme- und Kälteabgabe benötigen, – kombinierte Systeme zur Lufteinbringung, Heizung und Kühlung, bodennah im Brüstungsbereich, – kombinierte Systeme zur Lufteinbringung, Heizung und Kühlung, an der Decke. Die Systeme wurden entsprechend der vorliegenden Herstellerunterlagen dimensioniert und modelliert. Zusammenfassend ist festzustellen, dass sich alle Systeme im sommerlichen Kühlbetrieb markant anders als im winterlichen Heizbetrieb verhalten. Bodennahe Lufteinbringung ist dabei der deckennahen überlegen, weil die Zuluft thermisch an den Personen und Geräten aufsteigt und so im Raum verteilt wird. Es ist somit kein mechanischer Aufwand für die Luftverteilung entgegen der natürlichen Konvektion notwendig, der immer mit Zugluftrisiko verbunden ist. Die Vermischung der Zuluft mit der Umluft ist minimiert. Die Trennung von Zuluft-Einbringung und den Funktionen der Heizung und Kühlung ist dem Zusammenfassen dieser Funktionen aus energetischer und hygienischer Sicht überlegen, weil für direkte Heizung und Kühlung der Luft stets viel größere Luftmengen benötigt werden. Diese größeren Luftmengen bringen in fast jedem Fall Zugluftrisiken mit sich und verschlechtern die Luftqualität, weil Zuluft und Raumluft gemischt werden. Eine Ausnahme stellen hier die Ventilatorkonvektoren mit Primärluftanteil dar. Insgesamt sind die Luftheizungs- und -kühlsysteme sehr flink. Zuluftsysteme im Deckenbereich, wie der betrachtete Deckenfancoil, sind zur Beheizung des Büros allerdings nicht geeignet. Die betrachteten Deckenflächensysteme ermöglichen einen weitgehend guten thermischen Komfort. Aufgrund ihrer hohen Trägheit erfordern sie jedoch eine vorausschauendere Regelung als die luftbasierten Systeme. Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass noch weitere Verbesserungen an den Regelungsstrategien erforderlich sind. Diese sind Teil einer aktuell laufenden Studie. Literatur

Bild 12. Zugbelastung im Bodenbereich bei z = 0,1 m, Zeitpunkt 10 Uhr – Ventilatorkonvektoren Fig. 12. Draught risk near to the floor, 10 am – fan coil

[1] DIN EN ISO 7730:2006-05 Ergonomie der thermischen Umgebung – Analytische Bestimmung und Interpretation der thermischen Behaglichkeit durch Berechnung des PMV- und des PPD-Indexes und Kriterien der lokalen thermischen Behaglichkeit. Berlin: Beuth Verlag, 2006. [2] Waltjen, T. et al.: Komfort für Passivhausbüros. IBO – Österreichisches Institut für Baubiologie und -ökologie, Wien, 2011.

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[3] Perschk, A.: Gebäude- und Anlagensimulation – „Ein Dresdner Modell“. gi Gesundheitsingenieur/Haustechnik/Bauphysik/Umwelttechnik, Bd. 131 (2010), Nr. 4, S. 178–183. [4] Knopp, T., Lube, G., Gritzki, R., Rösler, M.: A near-wall strategy for buoyancy-affected turbulent flows using stabilized FEM with applications to indoor air flow simulation. Computer Meths. Applied Mechan. Engrg. Vol. 194 (2005), No. 36–38, pp. 3797–3816. [5] Gritzki, R.: Bestimmung der Effektivität nutzerbedingter Fensterlüftung mit Hilfe numerischer Simulationsverfahren. Osnabrück: Der Andere Verlag, 2001. [6] Richter, W., Seifert, J., Gritzki, R., Rösler, M.: Bestimmung des realen Luftwechsels bei Fensterlüftung aus energetischer

und bauphysikalischer Sicht. Bau- und Wohnforschung. Fraunhofer IRB Verlag, 2003.

Autoren dieses Beitrages Dr.-Ing. Ralf Gritzki, Dr.-Ing. Markus Rösler Beide: Technische Universität Dresden, Institut für Energietechnik, Helmholtzstr. 14, 01069 Dresden Dr. Tobias Waltjen, DI Thomas Zelger Beide: IBO – Österreichisches Institut für Bauen und Ökologie GmbH, Alserbachstraße 5/8, 1090 Wien

Aktuell HOAI-Reform mit Rückführung der Leistungen für thermische Bauphysik, Schallschutz und Raumakustik Laut Beschluss der Wirtschaftsministerkonferenz zur Reform der Honorarordnung für Architekten und Ingenieure (HOAI) wird die Reform der HOAI in dieser Legislaturperiode bis 2013 zu einem guten Abschluss gebracht. Nachdem bereits die Bauministerkonferenz einstimmig die Unterstützung der HOAI-Reform bekräftigt und die Rückführung der Leistungen für Umweltverträglichkeitsstudie, thermische Bauphysik, Schallschutz und Raumakustik, Bodenmechanik, Erd- und Grundbau sowie vermessungstechnische Leistungen in den verbindlichen Teil der HOAI gefordert hat, hatten die Wirtschaftsminister der Länder am 3. 12. 2012 in Kiel dieses Ziel einstimmig bekräftigt. Die fachlichen Voraussetzungen zur Rückführung der genannten Planungsleistungen in den verbindlichen Teil der HOAI hat der AHO mit zwei wissenschaftlichen Gutachten geliefert. Die Einhaltung des modifizierten Zeitplanes zur Umsetzung der HOAI-Reform bis 2013 wird durch den AHO angemahnt. Der zuständige Referatsleiter im BMWi Dr. Thomas Solbach unterstrich das gemeinsame Ziel, mit der Umsetzung der HOAI

in dieser Legislaturperiode einen Interessenausgleich aller am Planungsprozess Beteiligten sicherzustellen. Er berichtete, dass das ca. 2000 S. umfassende Gutachten zur Honorarstruktur seinem Haus aktuell vorgelegt wurde und geprüft werde. Im Hinblick auf die Frage der Rückführung von Planungsleistungen in den verbindlichen Teil der HOAI bat er um Verständnis, dass diese Entscheidung im Gesamtkontext der HOAI unter Einbindung des Berufsstandes der Ingenieure und Architekten getroffen werde. Die Teilnehmer einer Podiumsdiskussion auf der AHO-Jahrestagung im Dezember 2012 mit dem Motto „Praxiserfahrungen nach 3 Jahren HOAI 2009“ kamen zu der Einschätzung, dass sich die Regelung der HOAI 2009 zum Planen im Bestand mit einem Umbauzuschlag bis 80 % nicht bewährt hat. In der Praxis habe sich gezeigt, dass Umbauzuschläge allenfalls bis 40 % Akzeptanz finden. Angesichts zunehmender Planungsaufgaben im Bestand müsse auch der Wert der mitzuverarbeitenden vorhandenen Bausubstanz bei den anrechenbaren Kosten angemessen berücksichtigt werden, so die übereinstimmende Auffassung der Experten. Reformbedarf wurde zudem im Bereich der Allgemeinen Vorschriften und des Kostenberechnungsmodells identifiziert.

Dass eine wirtschaftliche Anpassung der HOAI-Honorartafeln dringend erforderlich ist, hatte der AHO-Bürokostenvergleich 2011 aufgezeigt. Die Honorarsituation der Architektur- und Ingenieurbüros hat sich im Vergleich zum Jahr 2010 zwar leicht verbessert, entspricht aber noch nicht dem wirtschaftlich Erforderlichen. Die Bürostundensätze sind weiterhin auf niedrigem Niveau. Immer noch ein Drittel der Büros, darunter vorwiegend kleinere, schreiben rote Zahlen. Damit sind am Bau tätige Ingenieure trotz stets steigender Anforderungen nach wie vor das Schlusslicht im Gehaltsvergleich der Ingenieurberufe, konstatierte Ebert und bekräftigte die Notwendigkeit einer deutlichen Anhebung der Tafelwerte im Zuge der HOAINovellierung.

Weitere Informationen: Ronny Herholz, Geschäftsführer AHO Ausschuss der Verbände und Kammern der Ingenieure und Architekten für die Honorarordnung e.V. Uhlandstr. 14 10623 Berlin Tel. +49(0)30/3101917-0 Fax +49(0)30/3101917-11 aho@aho.de www.aho.de

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Fachthemen Martin Bauer Josef Hochhuber Matthias Schwanitz Eberhard Fries Caroline Lorz Michael Sedlmeier

DOI: 10.1002/bapi.201310044

Beitrag zur thermischen Speicherung von Netz überlasten infolge regenerativer Energien in Gebäuden Bayern hat sich zum Ziel gesetzt, in den nächsten Jahren die Erzeugung von Strom aus erneuerbaren Energien mit dem Ausbau von zusätzlich bis zu 1500 Windkraftanlagen zu forcieren. Zusammen mit dem Ausbau von Photovoltaik-Anlagen ergibt sich ein wesentlicher Anteil an ungeregelt anfallender Netzlast, die zeitweilig zu großen Leistungsüberschüssen führen kann. Vor diesem Hintergrund wird ein Versuchsprogramm zum Lastmanagement eines elektrischen Netzes vorgestellt, bei dem in einem Gebäude mit hoher Energieeffizienz elektrische Energie über thermische Speicher aufgenommen wird. Vergleichend werden Simulationsrechnungen zur Modellierung der Versuchsergebnisse unter besonderer Berücksichtigung des Speicherverhaltens der Baukonstruk tion in der vorhandenen Betonkerntemperierung durchgeführt. Thermal energy storage of grid overload as a result of renewable energies from buildings. Bavaria´s aim in the near future is to increase the production of electricity from renewable energies by setting up 1,500 additional new wind power plants. This situation, together with the expansion of photovoltaic power plants, leads to varying network loads and temporarily uncontrolled excesses in the power supply. This research program is, therefore, being initiated to enhance load management in an electric network. Thermal storage units in a highly energy efficient building are supplied with energy from peak loads. Simulations for modelling the test results will be compared and carried out, focusing particularly on the thermal storage properties of the building construction in the existing concrete core heating system.

1 Gebäude als nicht-elektrische Speicher zur Aufnahme von Netzschwankungen Die thermische Speicherkapazität in Gebäuden ist in großer Anzahl und örtlich verteilt vorhanden. Diese ist dann für nicht steuerbare Erzeugungen nutzbar, wenn das Gebäudesystem im Zusammenspiel mit Leistungsüberschüssen aus Netzverhalten, Umwelteinwirkung und Gebäudesystem für die Nutzung in Form von Wärmespeicherung abgestimmt werden kann [4]. Es ist daher zu bestimmen, bei welchen Gebäudestandards und Speicherverhalten Engpässe in der Gebäudeversorgung mit Wärme aus regenerativen Leistungsspitzen überbrückt werden können. In der zu untersuchenden Fragestellung trifft die nur schwer und ungenau diagnostizierbare Energieerzeugung mit ihrem Verteilungsproblem auf eine nicht vorhersehbare Nachfrage im Gebäudebetrieb. Ein zeitweiliges Überange-

bot aus regenerativen Energien soll in Form von Wärme in der winterlichen Heizperiode in das Gebäude zeitlich möglichst weitgehend entkoppelt vom tatsächlichen Bedarf gespeichert und über die Speichermassen der Baukonstruktion zeitlich verzögert als Heizwärme abgegeben werden. Für eine partnerschaftliche Projektdurchführung haben sich ein Energieversorger, ein Hersteller von Regelungstechnik, ein Heizungsanlagenhersteller und die einreichende Institution zusammengeschlossen. Die Lechwerke AG, die Firma tekmar Regelsysteme GmbH und die Stiebel AG stellen die Technologien für die Versuche zur Verfügung.

2 Versuchsdurchführung und Simulation Für die praktische Durchführung wird ein Passivgebäude in massiver Bauart ausgewählt, dessen Nutzer die Versuchsreihe aktiv unterstützen. Der Heizwärmebedarf ist in diesem besonders effizienten und hochwärmegedämmten Gebäude mit seinem verlangsamten Auskühlverhalten gering. Die Möglichkeit der Einlagerung von Wärmenergie in das Gebäude ist damit nur begrenzt möglich. Durch praktische Messversuche und Begleitstudien am Simulationsmodell wird untersucht, wie das Angebot an überschüssiger elektrischer Energie zeitlich abgestimmt in Form von Wärme im Gebäude gespeichert werden kann. Versuchstechnisch sind drei Systeme wesentlich (Bilder 1 und 4): Das Gebäudesystem als Wärmespeicher Die Gebäudekomponenten der Baukonstruktion als thermisch nutzbares Potenzial, das bauteilintegrierte Flächenheizungssystem (Betonkerntemperierung der Geschossdecken) und ein 2.500 l Wasser fassender Schichtenspeicher. Das Gebäude dient mit der Gesamtheit seiner Komponenten als Speicher. Das technische Versorgungssystem mit Regel- und Steuerkomponenten Eine Regelungseinheit für einen elektrischen Durchlauferhitzer als Wärmewandler. Sie dient als Schnittstelle zwischen dem elektrischen Netz des Versorgers und dem Gebäude für die Einlagerung der einzulagernden elektrischen Energie. Das System des Niederspannungsnetzes Im Bereich des Versuchsgebäudes: Netzlasten lösen über zwei Steuersignale des Energieerzeugers die Aufladung aus.

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den. Energieströme in Form von Wärme sind vom Erzeuger (Durchlauferhitzer) bis zur betonkerntemperierten Decke als Speicher- und Übertragungsmedium in den Grenzen des Messsystems im Minutentakt erfasst worden.

3 Simulation

Bild 1. Messstellen im Gebäude Fig. 1. Measuring points in the test building

Der Schichtenspeicher entkoppelt für den Versuch die ungeregelte Angebots-Nachfrage-Situation für alle Einzelkomponenten als Schnittstelle zur Einlagerung von Wärme aus gewandelter Energie. Mittels eines Sensorsystems wird lokal die Füllung des Speichers erkannt und für möglichen Heizbetrieb bzw. Trinkwarmwasser-Versorgung frei geschaltet.

Für das Passivgebäude wurde ein multizonales Simulationsmodell für den Heizbetrieb in der Umgebung IDA ICE 4.5 (beta) auf Grundlage der Bestandsdaten (Geometrie, Bauteildaten und gebäudetechnische Komponenten) aufgebaut (Bild 2). Für eine erste Modellüberprüfung wurde mit diesen Daten der Heizwärmebedarf jahres- und monatsspezifisch unter Berücksichtigung des bewohnerspezifischen Nutzungsverhaltens über einen idealen Konvektor simuliert. Der Simulation zugrunde gelegt wurden die Datensätze des Testreferenzjahres 2010 TRY und TRY kalt [5] und die tatsächlichen Verbrauchsdaten, sowie die PHPP-Werte, die als einheitlicher Wetterstandard Deutschland aufgefasst werden. Anschließend wurde detailliert für den Monat Februar mit den aufgezeichneten Wetterdaten vor Ort simuliert. Die Randbedingungen sind gemäß [2] modelliert. Eine Ortung von Leitungsverlusten über die Zonen (Warmwasser, Lüftung etc.) wurde vernachlässigt.

Aufbau eines Simulationsmodells − allgemeines Gebäudemodell Eindeutig modellierbar sind die Gebäudehülle und die ebenfalls aus Bilanzierungsrandbedingungen entstehenden

Versuchsdurchführung Das Gebäude und sein thermisches Verhalten werden über einen wesentlichen Teil der Heizperiode messtechnisch erfasst. Dazu werden an ausgewählten Punkten Mikroklima, Innenraumklima, das instationäre Verhalten der Baukon struktion und die von der Anlagentechnik gelieferte Endenergie aufgezeichnet. Das Messkonzept sieht eine begleitende Messreihe in verschiedenen Stufen vor: Bei einer ersten Messreihe im Zeitraum vom 18. 01. bis 29. 02. 2012 lag der Schwerpunkt der Untersuchung auf der Erfassung der Wohnraumqualität in den am wärmsten temperierten Zonen von Wohnzimmer und Wohnküche. In einer zweiten Messperiode ab dem 01. 03. 2012 wurde die Versuchsanordnung so abgeändert, dass an Stelle des Stückholzofens das Gebäude mittels eines elektrischen Erzeugers zur Wärmeeinlagerung in den Pufferspeicher beheizt wurde. Im eigentlichen Versuchszeitraum vom 15. 03. 2012 ab 23.23 Uhr bis 17. 03. 2012 bis 16.12 Uhr ist die Wärmeabgabe im Gebäude ausschließlich über die Betondecke zwischen den Bädern OG/DG erfolgt. Über einen Wärmemengenzähler ist die Wärmeleistung erfasst, die ausschließlich in die Geschossdecke zwischen Bad OG/DG abgegeben wird. Die Wärmeströme an beiden Deckenoberflächen wurden separat gemessen. Zusammen mit den Wärmemengen der Heizungszuleitung im UG konnten genauere Aussagen über zeitliche Heizleistung und -verteilung über die Wärmeabgabe an den Oberflächen der Betondecke getroffen wer-

Bild 2. Versuchsgebäude, Simulationsdarstellung IDA ICE 4.5 und Zonierungskonzept des Gebäudes Fig. 2. Simulation of the test building using IDA ICE 4.5, and zoning concept

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Bild 3. Witterungsbereinigter Jahresheizwärmeverbrauch im Vergleich zu Simulationsergebnissen Fig. 3. Comparison of the weather-adjusted annual heat energy consumption and annual heat demand (simulation results)

Wärmeströme über vorhandene Wetteraufzeichnungen vor Ort. Im Vergleich zum witterungsbereinigten Verbrauch liegt der ermittelte jährliche Bedarf aus der Simulationen niedriger, die Jahre 2010 und 2011 nähern sich dem Wert des kalten TRY an, der PHPP-Wert ist geringfügig höher als die Simulationsergebnisse (Bild 3). Interpretiert man die Simulationsergebnisse nun im Hinblick auf lokale Witterungsbedingungen und den dokumentierten Verbrauch, ergeben sich die Unterschiede zwangsläufig aus unbekannten Systemgrößen und dem Nutzerverhalten: Die Lüftungsanlage wurde vom Nutzer stundenweise komplett abgestellt, das Dachgeschoß ist praktisch ungenutzt und die Solarthermieanlage des Gebäudes ist unberücksichtigt geblieben. In Realität wird die Solarthermieanlage zur Heizungs- und Brauchwasserbereitung verwendet. Mit jährlich etwa 5000 kWh Gesamtwärme trägt sie zu einem nicht weiter einzeln quantifizierbaren Anteil am Heizwärmebedarf bei. Vor dem Hintergrund des Nutzerverhaltens, des ungenutzten und damit ungeheizten Dachgeschosses sowie der unberücksichtigten, solarthermischen Anlage sind diese ersten Simulationsergebnisse zufriedenstellend.

Bild 4. Messkonzept-Schema mit den angeordneten Messstellen Fig. 4. Measuring concept – schematic diagram and measur ing points

Die Leitungsverluste konnten messtechnisch nicht einzeln erfasst werden, was im Ergebnis berücksichtigt wird. Es ist zu erwarten, dass die Ergebnisqualität der Wärmeströme an Deckenunterseite und -oberseite sowie die Oberflächentemperaturen weniger präzise ist. Damit werden die Wärmeströme zahlenmäßig überschätzt, Bild 5. Die Modellierung selbst erfolgt verfeinernd über ein Graphenmodell im Advanced Level der Simulationsumgebung und bildet so die Gleichungen für die die Aufteilung der Wärmeströme nach (Bild 6). Für die speziell interessierende betonkerntemperierte Decke lassen sich die Temperaturgänge und Wärmestromgänge charakteristisch simulieren. Ein betragsmäßig korrekter zeitlicher Verlauf des energetischen Niveaus konnte gewonnen werden, nachdem zusätzlich zu den gemessenen Wärmeströmen die gemessenen Raumtemperaturen dem Modell aufgeprägt wurden

Simulationstechnische Modellierung der Betonkerntemperierung Für die Vergleichsrechnung der Versuche des wärmetechnischen Verhaltens bei Messung der Flächenheizsysteme wird eine detaillierte Modellierung bis zur Bauteilkomponente erforderlich, Bild 4. Messwerte sollen damit an ausgewählten Punkten des Simulationsmodells als Input- bzw. Outputgrößen, z. B. der Wärmeströme der Betonkerntemperierung, gezielt verglichen werden. Dieses reduzierte Teilsystem lässt sich im Simulationsmodell exakt abbilden, sodass im Abgleich mit den Messergebnissen die zeitliche Verzögerung von Wärmespeicherund Abgabevorgängen in das Gebäude realitätsgetreu abgebildet werden kann. Für diesen Teil der Simulationsstudie beschränkt sich die Erkenntnisabsicht auf die charakteris tische Nachbildung der Lufttemperatur- und Wärmestromkurven in den beiden Bädern. Die beiden Decken dieser Räume werden einzig für den Versuch als Heizung für das gesamte Gebäude betrieben.

Bild 5. Quantitativ bestes Simulationsergebnis „BestTest“ (Tpräg, Qpräg) für Wärmeströme und Oberflächentemperaturen im Vergleich zu den Messdaten (TMessung, QMessung) Fig. 5. Best simulation result „BestTest“ (Tpräg, Qpräg) for heat flux and surface temperatures compared to measurement data (TMessung, QMessung) – quantitatively

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Bild 6. Teilmodell der Simulation für die Ermittlung der Wärmeströme der Betonkerntemperierung Fig. 6. Partial simulation model to determine the heat flow of concrete core activation

Bild 7. Messzeitraum, 15. 03. 2012– 28. 03. 2012, Strombezug und Wärmeeinlagerung über Durchlauferhitzer mit der „Tekmar Steuerung“ bis zum 22. 03. 2012 nach Freigabe, ab dem 22. 03. 2012 nach Zeitschaltuhr mit Wochenprogramm; in Zusammenschau mit der Referenz Wind- und Photovoltaikanlage Fig. 7. Measurement period 15. 03. 2012– 28. 03. 2012, purchase of electricity and heat storage via instantaneous water heater controlled by signal and tekmar controller before 22. 03. 2012, afterwards controlled by automatic timer program

und die im UG gemessenen Wärmemengen aufgrund von Rohrleitungsverlusten etc. für die Übergabe in die Baddecke reduziert wurden.

Beurteilung der Simulationsergebnisse Während des kompletten Messzeitraums wurde das Gebäude bis zur Komfortgrenze (Bad) erwärmt. Das Abkühlverhalten wurde gemessen und mittels Simulation unter Berücksichtigung der Umweltwirkung nachvollzogen: In der Heizperiode bietet die Baukonstruktion einen Temperaturkorridor von etwa 2 K Temperaturerhöhung für die direkte Wärmespeicherung. Die Auskühlung der Baukonstruktion erfolgt über einen Zeitraum von ca. einer Woche. Unter Komfortbedingungen ist ausreichend Wärme vorhanden. In diesem Zeitraum werden von der Referenzanlage Wind mehrere Lastspitzen erzeugt (Bild 7). Aus den beiden Messungen ist erkennbar, dass unter Ausnutzung von Vorhersagedaten eine Steuerung des Temperaturniveaus so möglich ist, dass erwartete Lastspitzen ohne Komforteinbußen für den Nutzer netzentlastend eingelagert werden können.

4 Ergebnisbewertung Energieeffizienz und Komfort Die Einlagerung von Wärme über den Nutzwärmebedarf führte im Gebäude infolge der Versuchsbedingungen zu Raumtemperaturen über die Komfortgrenze hinaus. Ein Grund hierfür sind die geringen Verluste über die hochwärmegedämmte Hülle. Konkret treten im Messzeitraum von elf Tagen insgesamt 170 Übergradstunden (> 25 °C) auf. Beurteilt nach DIN EN ISO 7730 und der im PHPP angegebenen Temperaturgrenze ergibt sich unter den Versuchsbedingungen bereits eine Übertemperatur von ca. 7 d oder 6,5 % der Jahreszeit. Ab 10 % werden nach [2] zusätzliche Schutzmaßnahmen verlangt.

Netzüberschüsse im lokalen Niederspannungsnetz, Messergebnis Heizversuch Der Aufheizversuch über die elektrische Zusatzheizung ab 01. 02. 2012 zeichnete die maximal einzulagernde Wärme-

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Tabelle 1. Maximale Einlagerung in das Gebäude Table 1. Maximum thermal storage capacity of the building Übersicht der Wärmeverteilung von 500 Kwh, maximale Einlagerung in das Gebäude in 24 h Betonkerntemperierung, BKT Trinkwarmwasser, WW Pufferspeicher, nicht gemessen Pufferspeicher, Temperatur bis 85 °C, technisches Potential des Pufferspeichers

380 kWh

76,0 %

17 kWh

3,5 %

ca. 100 kWh

20,5 %

+44 kWh

+9,0 %

menge in das Gebäude auf (Tabelle 1). Der Wasserspeicher konnte dabei technisch nicht vollständig genutzt werden. Von den gewandelten 500 kWh Strom wurden dabei ¾ in das Gebäude und nur weniger als ¼ in den Wasserspeicher eingelagert. Im ersten Versuchsschritt konnten die direkt am Gebäude gemessenen Lastschwankungen im lokalen Niederspannungsnetz nicht stabilisierend eingelagert werden. Sie müssen für das Netzmanagement der konkreten Versuchsbedingung auf eine andere Ebene der elektrischen Netze verlagert werden. Die Schwankungen am Übergabepunkt waren zum Versuchszeitpunkt so kurz, dass die vorhandene Gebäudetechnik innerhalb der Versuchsgenauigkeit nicht reagieren konnte. Der Versuchsbereich ist daher vom Niederspannungsnetz auf das zugehörige Hochspannungsnetz erweitert worden. Als Versuchsergebnisse wurden parallel Lastgänge aufgezeichnet. Seitens des Versorgers werden Simulationen für die Netzlast entwickelt, welche die realen Lieferbedingungen aus technisch erforderlichen und betriebswirtschaftlich notwendigen Schwankungsbreiten beschreiben. Daraus entstehen real einzulagernde Energiemengen, die in Folge mit den Speichern simulationstechnisch gekoppelt werden. Für die Versuchsbewertung des Gebäudes bleiben zur Beurteilung der unregelmäßigen Netzlast die mitgeführten Referenzanlagen (Bild 7). Vergleicht man Dauer und Kurvencharakteristik mit Angaben aus [3] so können die aufgezeichneten Werte für Windeinspeisung in Ihrer Zufälligkeit und im Lastgang für die Simulation des Gebäudeverhaltens als charakteristisch angesehen werden.

5 Fazit Die Größe des tatsächlich möglichen Einlagerungspotenzials von Wärme muss also in Abstimmung mit dem Raumkomfort erfolgen. Daraus ergibt sich die Frage, welcher der Dämmstandards bei welcher Gebäudenutzung sinnvoll ist, um regenerativ gewonnene elektrische Energie maximal und möglichst sinnvoll einzulagern. Der Wärmeverlust des Gebäudes in der absoluten Größe, der Verbrauch hoch-

wertiger elektrischer Energie und die Bereitstellung des maximierten Abnahmepotenzials in der Heizperiode sind die dafür abzuwägenden Parameter. Dies soll mit weiteren Simulationen untersucht werden. Es lohnt sich, im Hinblick auf kostengünstige Lösungen über den technisch einfach zu beschickenden Schichtenspeicher hinaus sich mit dem Speicherverhalten der Baukonstruktion zu beschäftigen.

Danksagung Das Projekt wird gefördert durch das Bayerische Landesamt für Umwelt unter dem Projekttitel: Energieinfrastruktur der Zukunft: Projekt Windheizung 2.0 – Energiespeicherung und Stromnetzregelung mit hocheffizienten Gebäuden. Literatur [1] DIN EN ISO 7730:2006-05 Ergonomie der thermischen Umgebung – Analytische Bestimmung und Interpretation der thermischen Behaglichkeit durch Berechnung des PMV- und des PPD-Indexes und Kriterien der lokalen thermischen Behaglichkeit. [2] Feist, W. et al.: Passivhaus Projektierungspaket 2007. Anforderungen an qualitätsgeprüfte Passivhäuser. Darmstadt, 2007. [3] Rohrig, K.: Rechenmodelle und Informationssysteme zur Integration großer Windleistungen in die elektrische Energieversorgung. Diss. Universität, Kassel, 2003. Online verfügbar unter http://kobra.bibliothek.uni-kassel.de/bitstream/ urn:nbn:de:hebis:34-929/1/dis3052_16.pdf [4] Stadler, I.: Demand response. Nichtelektrische Speicher für Elektrizitätsversorgungssysteme mit hohem Anteil erneuerbarer Energien. Habil. als Ms. gedr. Berlin, 2006: dissertation.de. [5] TRY – Climate and Environment Consulting Potsdam GmbH, 2011. Deutscher Wetterdienst DWD: Aktualisierte und erweiterte Testreferenzjahre (TRY) von Deutschland für mittlere und extreme Witterungsverhältnisse. Hrsgg. v. BBR. http://www. irbnet.de/daten/baufo/20118035316/TRY_Handbuch.pdf.

Autoren dieses Beitrages: Prof. Dr.-Ing. Martin Bauer, Dipl.-Ing. (FH) Caroline Lorz M.Eng., Dipl.-Ing. (FH) Michael Sedlmeier M.Eng. Hochschule Augsburg, Fakultät für Architektur und Bauingenieurwesen, An der Fachhochschule 1, 86161 Augsburg Dipl.-Ing. Matthias Schwanitz, Lechwerke AG, Schaezlerstraße 3, 86150 Augsburg Dr. Eberhard Fries, tekmar Regelsysteme GmbH, Möllneyer Ufer 17, 45257 Essen Dr. Josef Hochhuber, Bayerisches Staatsministerium für Umwelt und esundheit, Ref. 78 Umweltverträgliche Energiewende, G Rosenkavalierplatz 2, 81925 München

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■ Just like building physics, performance based building design was hardly an issue before the energy crisis of the 1970ies. With the need to upgrade energy efficiency, the interest in overall building performance grew. As the first of two volumes, this book applies the performance rationale, advanced in applied building physics, to the design and construction of buildings. After an overview of materials for thermal insulation, water proofing, air tightening and vapour tightening and a discussion on joints, building construction is analysed, starting with the excavations. Then foundations, below and on grade constructions, typical load bearing systems and floors pass the review to end with massive outer walls insulated at the inside and the outside and cavity walls. Most chapters build on a same scheme: overview, overall performance evaluation, design and construction. The book should be usable by undergraduates and graduates in architectural and building engineering, though also building engineers, who want to refresh their knowledge, may benefit. The level of discussion assumes the reader has a sound knowledge of building physics, along with a background in structural engineering, building materials and building construction.

Package: Performance Based Building Design 1 and 2

2012. 276 pages, 199 figures, Softcover. € 59,–* ISBN 978-3-433-03023-3

€ 99,–* ISBN: 978-3-433-03024-0

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Applied Building Physics Boundary Conditions, Building Performance and Material Properties 2010. 322 pages, 100 figures, 20 tables, Softcover.

Online-Order: www.er nst-und-sohn.de/books

€ 59,–* ISBN 978-3-433-02962-6

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Building Physics – Heat, Air and Moisture Fundamentals and Engineering Methods with Examples and Exercises

■ The energy crises of the 1970ies, the persisting moisture problems, the complaints about sick buildings, thermal, visual and olfactory discomfort, and the move towards more sustainability in building construction pushed Building Physics to the frontline of building innovation. The societal pressure to diminish energy consumption in buildings without degrading usability acted as a trigger that activated the whole notion of performance based design and construction. As all engineering sciences, Building Physics is oriented towards application, reason why, after a first book on fundamentals, this second tome looks at the performance rationale and performance requirements. The outdoor and indoor climate conditions are described and calculation values are discussed, the performance concept is specified at the building level, at the building envelope level and at the materials’ level. Definability in an engineering way, predictability at the design stage and controllability are the measures of concepts’ quality. Thus, the author gives a practical guide of the performance approach which helps consulting engineers, architects and contractors guaranteeing building quality. This book is the result of 35 years of teaching architectural, building and civil engineers, coupled to 40 years of experience, research and consultancy.

2., updated Edition 2012 316 pages, 142 figures, 28 tables, Softcover.

Package: Building Physics and Applied Building Physics

€ 59,–* ISBN 978-3-433-03027-1

€ 99,–* ISBN: 978-3-433-03031-8

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Fachthemen Christoph Nytsch-Geusen Jörg Huber Manuel Ljubijankic Jörg Rädler

DOI: 10.1002/bapi.201310045

Modelica BuildingSystems − eine Modellbibliothek zur Simulation komplexer energietechnischer Gebäudesysteme Am Lehrstuhl für Versorgungsplanung und Versorgungstechnik der UdK Berlin wird die Modelica-Modellbibliothek „BuildingSystems“ zur objektorientierten Modellierung und Simulation komplexer energietechnischer Gebäudesysteme entwickelt. Die Modelle der Bibliothek decken ein breites Spektrum aus den Bereichen Raum und Gebäude, solare Energietechnik (Solarthermie, Photovoltaik) sowie Heizungs- und Klimatechnik ab und werden um weitere Spezialmodelle zum Erzeugen geeigneter Klima- und Nutzer-Randbedingungen ergänzt. Ein besonderes Merkmal der Bibliothek besteht darin, dass eine Reihe der Modelle in unterschiedlicher räumlicher oder physikalischer Detaillierungstiefe vorliegen. So lässt sich mit der Modellbibliothek ein Nahwärmenetz mit einer Reihe stark vereinfachter GebäudeverbraucherModelle, aber auch ein detailliertes hydraulisches Netz einer Heizungsanlage zusammen mit einem detaillierten MehrzonenGebäudemodell abbilden. Im vorliegenden Beitrag werden die grundlegenden Eigenschaften der Modelica-Bibliothek „BuildingSystems“ beschrieben und an Hand mehrerer Anwendungsbeispiele demonstriert. The Modelica library BuildingSystems for object-oriented modelling and simulation of complex energetic building systems. The Modelica library “BuildingSystems” for object-oriented modelling and simulation of complex energetic building systems is being developed by the chair of building services technology at UdK Berlin. The models of the library cover a broad spectrum of the domains such as room and building, solar energy technologies (solar thermal energy, photovoltaics), HVAC and are completed with specialized models for the generation of boundary conditions of the user behavior and climate data. A special feature is the fact that several models are present in different levels of detail in space and in the physical meaning. For example, a model of a district heating net-work combined with a set of strong simplified building models or a detailed hydraulic net of a heating system combined with a detailed multi-zone building model can be reflected by the model library. The paper describes the most important features of the Modelica library “BuildingSystems” and demonstrates them by the use of several applications.

1 Einleitung In den letzten Jahren wurden eine Reihe von Modellbibliotheken zur energetischen Gebäude- und Anlagensimulation entwickelt, welche auf der objekt- und gleichungsorien-

tierten Modellbeschreibungssprache Modelica [1] basieren. Eine der ersten Modelica-Implementierungen stellt die Bibliothek ATPlus der TU Kaiserslautern dar [2], welche im Kontext der Anwendung neuartiger Regelungskonzepte (Fuzzy-Controller) im Bereich der Heizungstechnik entwickelt wurde. Die Bibliothek enthält ein thermisches Raummodell, Modelle der Heizungstechnik, und zahlreiche Reglermodelle. Im Rahmen eines Fraunhofer-internen Forschungsprojektes wurde die Modelica-Modellbibliothek BuildingPhysicsLibrary zur thermischen und hygrothermischen Gebäudesimulation implementiert und an Versuchsräumen thermisch und hygrisch validiert [3]. Mit dieser Bibliothek können sowohl einzelne Raummodelle als auch Mehrzonen-Gebäudemodelle konfiguriert werden. Am Forschungsinstitut Berkeley LAB (Lawrence Berkeley National Laboratory, California) wird seit 2009 die Modelica-Bibliothek Buildings zur gekoppelten energetischen Gebäude- und Anlagensimulation mit dem Schwerpunkt der Bild detaillierter Gebäuderegelungskonzepte entwickelt [4]. Die Bibliothek enthält ebenfalls ein thermisches Mehrzonen-Gebäudemodell und zahlreiche Komponentenmodelle der Heizungs- und Klimatechnik. An der RWTH Aachen wird zur Zeit eine ähnliche Modelica-Bibliothek entwickelt, welche neben einem thermischen Gebäudemodell auch umfangreiche Modelle der Heizungstechnik, aber auch insbesondere der Klima- und Lüftungstechnik umfasst [5]. Die Bibliothek enthält auch eine umfangreiche Datenbank mit bauphysikalischen Stoffwerten sowie Herstellerangaben zur Parametrisierung von Anlagenkomponenten. Innerhalb des Forschungsprojektes Young Cities, in welchem Methoden zum simulationsgestützten Entwurf von Energieversorgungssystemen für Stadtquartiere entwickelt und an einem Fallbeispiel evaluiert werden, wurde am Institut für Architektur und Städtebau der UdK Berlin die Modelica-Bibliothek FluidFlow zur thermo-hydraulischen Simulation komplexer Energieversorgungssysteme für Einzelgebäude, aber auch für Gebäudegruppen implementiert [6]. Die in diesem Beitrag vorgestellte Modelica-Bibliothek BuildingSystems stellt eine Zusammenführung und Reimplementierung der Bibliotheken BuildingPhysicsLibrary und FluidFlow dar und zeichnet sich durch folgende Haupteigenschaften aus:

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1. Modelle für komplexe energietechnische Gebäudesysteme Die Modellbibliothek kann das dynamische Verhalten von komplexen Gebäudesystemen, bestehend aus thermischen oder hygrothermischen Modellen eines Einzelgebäudes oder einer Gebäudegruppe in Kombination mit den Modellen der zugehörigen energetischen Versorgungstechnik beschreiben. Die Gebäudetechnik kann hierbei sowohl thermische, hydraulische als auch elektrische Modelle der Solarthermie, der Photovoltaik, der Heizungs- und Klimatechnik umfassen. 2. Modelle unterschiedlicher Detaillierungstiefe Die Gebäudemodelle und eine Reihe der Modelle der Gebäudetechnik liegen in zwei oder mehr Detaillierungstiefen (unterschiedliche örtliche oder physikalische Detaillierung) vor. So können z. B. eine hohe Anzahl einfacher thermohydraulischer Komponentenmodelle (Rohre, Ventile, Pumpen etc. in 0D-Modellierung) zu einem komplexen Modell eines Nahwärmenetzes konfiguriert werden, welches noch in erträglichen Rechenzeiten simuliert werden kann. Die Bibliothek erlaubt auch, das thermische Verhalten eines Gebäudes entsprechend der Fragestellung stark vereinfacht über wenige konzentrierte Parameter über eine 0D-Modell zu beschreiben (z. B. im Fall eines vielfach genutzten Wärmeverbrauchermodells innerhalb eines Wärmenetzmodells) oder alternativ hierfür ein detailliertes 1D- oder sogar 3DModell (z. B. für die örtlich aufgelöste Analyse des Raumklimas) zu verwenden. 3. Eignung zur Co-Simulation Die Bibliothek BuildingSystems enthält Schnittstellen-Modelle, welche eine Co-Simulation von gebäudetechnischen Modelica-Modellen mit Modellen anderer Simulationsumgebungen unterstützen. Zum einen können Modelica-Systemmodelle auf der Basis von Dymola mit dem kommerziellen CFD-Werkzeug ANSYS-CFD [7] über das ebenso kommerzielle Co-Simulationsframework TISC [8] gekoppelt werden. Eine zweite Kopplungsmöglichkeit von BuildingSystems-Modellen und Dymola mit dem frei verfügbaren Gebäudesimulationstool EnergyPlus [9] ist über das ebenso frei verfügbare Co-Simulationsframework BCVTB [10] realisiert worden. 4. Dreidimensionale Visualisierung und Animation von Simulationsexperimenten Ein weitere Eigenschaft der BuildingSystems-Bibliothek besteht in der Möglichkeit, Simulations-experimente als visualisierte und animierte 3D-Szenen in verschiedenen Visualisierungsumgebungen, wie z. B. Blender oder OpenSceneGraph, darzustellen. Hierzu wurde die zusammen mit der TU Berlin und der Fraunhofer-Gesellschaft entwickelte allgemeine Technologie zur 3D-Visualisierung von Modelica-Modellen [11] in die BuildingSystems-Bibliothek integriert. Die physikalischen Komponentenmodelle wurden mit grafischen 3D-Primitiven (Kugel, Zylinder, Box, Kegel etc.) verknüpft, die so eine geometrische Repräsentation der Gebäude- und Anlagenmodelle sowie eine animierte Darstellung von Zustandsgrößen innerhalb von 3D-Szenen ermöglichen.

Bild 1. Parametrisierte 3D-Darstellung von Gebäudemodellen Fig. 1. Parameterized 3D-visualization of building models

Bild 2. 3D-Animation eines thermo-hydraulischen Netzwerks mit 1D-diskretisierten Rohrleitungsmodellen. Dargestellt sind die Fluidtemperaturen der einzelnen Rohrleitungssegmente sowie der Betriebszustand der Förderpumpe Fig. 2. 3D-animation of a thermo-hydraulic network with 1D-discretized tube models. Vizualisation of the fluid temperatures of the single tube segments and the operation state of the pump

Bild 1 zeigt beispielhaft ein unterschiedlich geometrisch parametrisiertes Gebäudemodell und Bild 2 die Animation eines thermo-hydraulischen Einmaschennetzwerks.

2 Bibliotheksarchitektur Die Architektur der BuildingSystems Bibliothek folgt einem hierarchischen Aufbau in drei aufeinander aufbauenden Schichten (Bild 3). Die grundlegende Schicht (Core layer) enthält zunächst Basisklassen (BaseClasses), die bei der Modellierung von Komponentenmodellen in unterschiedlichen Kontexten vielfach wiederverwendet werden. Hierzu gehören Schnittstellenmodelle (Interfaces), physikalische Grundmodelle (Physics) und Grundmodelle zur 3D-Visualisierung (Visualisation3D). So kann z. B. das eindimensional diskretisierte physikalische Modell für den dynamischen Wärmetransport eines monolithischen Materials durch mehrfache Verwendung und seriellen Verschaltung zur Beschreibung des Wärme-

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Bild 3. Struktureller Aufbau der Modellbibliothek BuildingSystems Fig. 3. Structure of the model library BuildingSystems

transportvorgangs in einer mehrschichtigen Gebäudewand verwendet werden. Bei entsprechend angepasster Parametrisierung kann mit dem gleichen Schichtenmodell auch das thermische Verhalten eines detaillierten Photovoltaikmoduls abgebildet werden, welches aus mehreren dünnen Materialschichten (z. B. Glas, Kunststoff, PV-Zelle, Kunststoff) besteht. Eine zweite Gruppe bildet eine Sammlung an Funktionen (Functions), welche zum einen Algorithmen zur Berechnung von thermo-dynamischen Stoffwerten und Zustandsgrößen, Hilfsfunktionen zur numerischen Stabilisierung von schwierigen physikalischen Modellgleichungen und zum anderen auch eine Dateileserfunktion mit Interpolationsalgorithmen umfasst [12]. Eine dritte Gruppe enthält Modellklassen zur Unterstützung von Co-Simulationen (CoSimulation) zwischen Modelica-Modellen/Werkzeugen mit anderen kopplungsfähigen Simulationswerkzeugen. Bisher unterstützt die BuildingSystems-Bibliothek die Co-Simulation über die Kopplungsframeworks BCVTB und TISC. In der Komponentenschicht (Component layer) befinden sich thermische und hygrothermische Gebäudemodelle (Buildings) sowie Komponentenmodelle energetischer Gebäudetechnologien (BuildingTechnologies), Bild 4. Beide Modellarten liegen in unterschiedlichen Detaillierungstiefen vor. So kann der Anwender bei den gebäudetechnischen Komponentenmodellen je nach Fragestellung z. B. zwischen einem vereinfachten Photovoltaikmodul-Modell auf Basis einer 1-Dioden-Modellierung in Verbindung mit einem empirischen thermischen Modell und einem detaillierten Photovoltaikmodul-Modell auf Basis einer 2-Dioden-Modellierung in Verbindung mit einem mehrschichtigen thermischen und detaillierten optischen Modell wählen. Beim thermischen Gebäudemodell gibt es zurzeit Modelle in zwei (0D und 1D) und zukünftig sogar in drei Detaillierungstiefen (0D, 1D, 3D). Im einfachsten Gebäudemodell werden alle Außenluft berührenden thermischen Gebäudemassen, alle innenliegenden Gebäudemassen und alle das Erdreich berührenden Gebäudemassen unabhängig von ihrer Geometrie und Ausrichtung jeweils mit ihrer Gesamtfläche und ihrer thermischen Gesamtkapazität auf

Bild 4. Komponentenmodelle des Sub-Packages BuildingSystems.BuildingTechnologies Fig. 4. Component models of the sub-package BuildingSystems.BuildingTechnologies

einen einfaches, numerisch sehr schnelles, thermisches Ersatzmodell abgebildet, wobei das Raumluftvolumen nur über einen Luftknoten modelliert ist. Die transparenten Außenbauteile sind allerdings differenziert entsprechend ihrer Orientierung modelliert, da diese erheblichen Einfluss auf die Höhe der passiven solaren Gewinne und damit auf die Gesamtenergiebilanz des Gebäudes ausüben. Beim Gebäudemodell in 1D-Auflösung können die Bauteile in einer Dimension, i. d. R. vom Innenraum zur Umgebung, ortsdiskretisiert werden. Alle Bestandteile des Gebäudemodells (Fenster, Wände, Decken, Räume, Raumluftvolumina) werden über einzelne Submodelle beschrieben, die zusammen zu einem Einzonen- oder MehrzonenGebäudemodell konfiguriert werden können. Der Luftraum in den Gebäudezonen kann über einen oder auch mehrere vertikale Luftknoten abgebildet werden. Im Rahmen der Forschungstätigkeiten der DFG-Forschergruppe 1736 „Urban Climate and Heat Stress in midlatitude cities in view of climate change (UCaHS)“ wurde an der UdK Berlin im Teilprojekt „Indoor Simulations“ mit der Entwicklung eines thermischen Modelica-Raummodells in 3D-Modellierung für den Luftraum sowie die umgebende Baukonstruktion begonnen, welche zukünftig in die BuildingSystems-Bibliothek integriert sein wird. So stehen zukünftig drei Detaillierungstiefen (0D-, 1D- und 3D-Diskre-

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3 Anwendungsbeispiele Mit vier Anwendungsbeispielen sollen die beschriebenen Haupteigenschaften der BuildingSystems-Bibliothek veranschaulicht werden. Beispiel 1 Komplexes Energieversorgungssystem Die Modellierung einer gebäudeübergeordneten solarunterstützten Klimatisierung, welche innerhalb des Forschungsprojekt YoungCities [13] konzipiert wurde, soll demonstrieren, wie mit der BuildingSystems-Bibliothek sehr komplexe Gesamtsystemmodelle konfiguriert werden können. In Bild 6 ist ein Ensemble aus vier Wohnblöcken (SubNeighbourhood) dargestellt, welches aus jeweils mehreren Reihenhäusern besteht, auf deren Dachflächen sich unterschiedlich große nach Süden orientierte SolarkollektorfelBild 5. Detaillierungstiefen Gebäudemodell Fig. 5. Levels of detail of the building model

tisierung) an Gebäudemodellen zur Verfügung, welche mit quasi kontinuierlich diskretisierten CFD-Gebäudemodellen ergänzt werden können (Bild 5). Weiterhin enthält die Bibliothek Modelle zur Regelungstechnik (Controllers), sowie Modelle zur Bereitstellung von Klimarandbedingungen (Climate) mit Klimadaten des Testreferenzjahres und aus Meteonorm. Die Anwendungsschicht (Application layer) enthält komplexe zusammengesetzte Anwendungsbeispiele unter Verwendung von Modellen aus mehreren gebäudetechnischen Anwendungsdomänen (Solarthermie, Thermo-hydraulik, Klimatechnik), ähnlich dem ersten Beispiel des folgenden Abschnitts.

Bild 6. Sub-Neighbourhood mit einem solarunterstützten gebäudeübergreifenden Wärme- und Kälteversorgungssystem Fig. 6. Sub-neighbourhood with a solar assisted energy supply system for heating and cooling for a building group

Bild 7. Gesamtsystemmodell für das gebäudeübergreifende Energieversorgungssystem Fig. 7. Overall system model for the energy supply system for a building group

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der befinden. Die solarthermischen Kollektorfelder sowie die Wärme- und Kälteversorgung der Einzelgebäude sind über mehrere thermische Netze mit einer gemeinsamen Wärme- und Kältezentrale verbunden, in welcher aus solarer Wärme über Absorptionskältemaschinen Kaltwasser zur Gebäudeklimatisierung erzeugt wird. Bild 7 zeigt die Struktur des entsprechenden ModelicaModells, welches das beschriebene Energieversorgungssystem darstellt. Es umfaßt neben dem Modell der Energiezentrale auch die Sub-Modelle der Solarthermiefelder und der thermischen Gebäudeenergieversorgung. Der innere Aufbau beider Sub-Modelle sowie jeweils eine weitere Modell-Unterebene sind in Bild 8 dargestellt.

Das Gesamtmodell aus Bild 7 wird über insgesamt 15.870 Modellgleichungen beschrieben, welche im Simulationsexperiment bei Verwendung von Dymola durch das Entfernen von Verknüpfungsvariablen auf 8.223 unabhängige Modellgleichungen reduziert werden. Auf Grund der Komplexität dieses Modells in seinem Umfang, seiner Struktur und seiner aufwendigen hydraulischen Regelung lassen sich mit derzeit verfügbarer PC-Hardware einige Tage Realzeit simulieren. Bild 9 zeigt für eine Sommerwoche für den Standort Hashtgerd (Iran) den Verlauf wichtiger Systemgrößen, wie die solarthermisch erzeugte Wärme, die von der Absorptionskältemaschine produzierte Kälte sowie die Kühllast aller Gebäude der Sub-Neighbourhood.

Struktur Solarkreislauf

Struktur Heiz-/Kühlkreislauf

Hydraulische Einbindung Kollektor

Hydraulische Einbindung Gebäude

Bild 8. Sub-Modell des Solarkreislaufes und der thermischen Versorgungsnetze sowie Sub-Sub-Modelle der hydraulischen Einbindung eines Einzelkollektorfeldes bzw. der Einzelgebäude Fig. 8. Sub-model of the solar thermal system and the thermal supply network and also sub-sub-models of the hydraulic integration of a single solar field collector and a single building

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Bild 9. Systemverhalten des komplexen Energieversorgungssystems während einer Sommerwoche Fig. 9. System behavior of the complex energy supply system during a summer week

Beispiel 2 Mit Photovoltaik angetriebenes Klimatisierungssystem Ein zweites Modell für ein Photovoltaik-angetriebenes Klimatisierungsystem mit Batteriespeicher und Kaltwasserspeicher soll demonstrieren, wie auf Basis der BuildingSystems-Bibliothek multiphysikalische Systemmodelle (elektrische und thermische Energiewandlung) modelliert werden können (Bild 10). Bei diesem gebäudtetechnischen System erzeugt ein PV-Generator Gleichstrom, welcher zunächst in einer Batterie zwischengespeichert wird. Eine nachgeschaltete Kompressionskältemaschine liefert Kaltwasser für einen Kaltwasserspeicher. Über einen geregelten Kaltwasserkreislauf wird entsprechend der sommerlichen Wärmelast thermische Energie in den Kaltwasserspeicher abgeführt. Da mit diesem Modell die Berechnung der Energiebilanz über die gesamte Kühlperiode mehrerer Monate erfolgen soll, wurden aus der Bibliothek numerisch schnelle Modelle mit einer niedrigen Bildtiefe (PV-Generator, Batterie, Gebäude) verwendet. Das Gesamtsystem kann mit insgesamt 658 Mo-

dellgleichungen beschrieben werden, die von Dymola nochmals auf 342 unabhängige Modellvariablen reduziert werden können. Die Simulationsdauer für eine gesamte Kühlperiode beträgt ca. 1 Minute. In Bild 11 sind die simulierten Leistungen (Leistung PV-Generator, Kälteleistung der Kompressionskältemaschine, Gebäude-Kühllast) im Photovoltaik-angetriebenen Gebäudeklimatisierungssystem für eine Sommerwoche und eine Kühlgrenztemperatur von 24 °C für den gleichen Klimastandort Hashtgerd dargestellt. Beispiel 3 1D/3D Co-Simulation von Modelica- und CFD-Modellen Ein drittes Beispiel veranschaulicht wie ein 3D-Detailmodell (CFD-Modell eines thermischen Wasserspeichers, simuliert mit ANSYS CFX mit ca. 85.000 finiten Elementen) in ein übergeordnetes 1D-Systemmodell einer gebäudetechnischen Anlage (Modelica-Modell einer thermischen Solaranlage, Bild 12) mittels einer Co-Simulation auf Basis von TISC integriert werden kann.

Bild 10. Systemmodell eines Photovoltaik-angetriebenen Gebäudeklimatisierungssystems Fig. 10. System model of a photovoltaic-driven building air-conditioning system

Bild 11. Leistungen im Photovoltaikangetriebenen Gebäudeklimatisierungssystem während einer Sommerwoche: Leistung PV-Generator (blau), Kälteleistung (rot), Kühllast (grün) Fig. 11. Power within the photovoltaicdriven air-conditioning system during a summer week: Electrical power PV generator (blue), generated cooling power (red), cooling load (green)

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Das Modelica-Systemmodell prägt über TISC dem Warmwasserspeicher den von der Pumpe geregelten Massenstrom und die mit ihm verbundene Eintrittstemperatur auf. Das Speichermodell wiederum sendet den Austrittsmassenstrom, die Austrittstemperatur sowie die Temperatur des Sensors im 3D-Strömungsfeld des Speichers über TISC an das Modelica-Systemmodell, welche zusammen mit der Kollektoraustrittstemperatur das Schaltkriterium für den diskreten Zweipunktregler bildet. Bild 13 zeigt das simulierte Verhalten für das gekoppelte Modell für den Beladevorgang des Speichers während eines typischen Sommertages und Bild 14 zeigt das Strömungsfeld und die Temperaturverteilung im Speicher um die Mittagszeit. Deutlich ist zu erkennen, wie die Eintrittsund Austrittstemperatur des Solarkollektors durch das differenzierte CFD-Strömungsfeld des Speichersmodells beinflusst wird und letztendlich auch auf das Schaltverhalten des Reglers wirkt. Eine ausführliche Beschreibung dieses Co-Simulationsbeispiels findet sich in [14].

Bild 12. Modelica-Systemmodell der thermischen Solaranlage der 1D/3D-Co-Simulation Fig. 12. Modelica system model of the solar thermal system for the 1D/3D co-simulation

Beispiel 4 3D-Visualisierung einer thermischen Solaranlage Ein viertes Beispiel soll mit der 3D-Visualisierung der technischen Bestandteile einer thermischen Solaranlage zeigen, wie mit der BuildingSystems-Bibliothek das dynamische Verhalten eines Energiesystems (Temperaturen, Massenströme, Betriebszustände der Regelung etc.) sowie seine

Bild 13. Einstrahlung auf den Kollektor (oben) Kollektoreintritts- und -austrittstemperatur, Umgebungstemperatur (Mitte), geregelter Massenstrom (unten) im Verlauf eines Sommertages für das gekoppelte Modelica/CFD System-Modell Fig. 13. Irradiation of the collector (top), collector inlet and outlet temperature, environment air temperature (in the middle), and controlled mass flow rate (bottom) during a summer day for the coupled Modelica/CFD system model

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Bild 14. Vertikaler Schnitt des Geschwindigkeitsfelds (links) und des Temperaturfelds (rechts) nach dem ersten Schaltereignis um 13 Uhr für das gekoppelte CFD/Modelica-Modell Fig. 14. Vertical section of the velocity field (left) and the temperature field (right) after the first switching event at 1:00 pm, for the coupled CFD/Modelica model

räumliche Integration in ein Gebäude veranschaulicht werden kann. In Bild 15 ist das hierzu modellierte System einer thermischen Solaranlage zur Brauchwassererwärmung mit zwei Vakuumröhrenkollektoren skizziert. Alle wesentlichen, für eine Visualisierung notwendigen Komponentenmodelle der BuildingSystems-Bibliothek (Rohrleitungen, Krümmer, Umwälzpumpen, Wärmeübertrager, Solarkollektur etc.) wurden mit Hilfe der Modelica 3D-Bibliothek [11] um Möglichkeiten der 3D-Darstellung in externen Visualisierungsumgebungen wie Blender oder OpenSceneGraph erweitert. Bild 16 zeigt die Struktur des Modelica-Anlagenmodells, Bild 17 die in ein Gebäude integrierte thermische So-

Bild 15. Solarthermisches Anlagenbeispiel für eine 3D-Visualisierung Fig. 15. Example of a solar thermal system for the 3D-vizualisation

Bild 16. Modelica-Systemmodell der thermischen Solaranlage zur 3D-Visualisierung Fig. 16. Modelica system model of a solar thermal system for the 3D-vizualisation

Bild 17. 3D-Visualisierung des Beladeprozesses der thermischen Solaranlage am Vormittag (oben) und im Ruhezustand des Systems nach Abschalten der Umwälzpumpen am Abend (unten) Fig. 17. 3D-vizualisation of the load process for the solar thermal system during the morning (top) and during the standby-state after switching off the pumps at evening (bottom)

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laranlage in einer 3D-Visualisierungsszene, wobei OpenSceneGraph als Visualisierungsumgebung gewählt wurde. Dargestellt sind die Temperaturen des Fluids im diskretisierten Kollektor-, im Rohrleitungs- und im Warmwasserspeichermodell sowie die Betriebszustände der beiden Umwälzpumpen für zwei ausgewählte Zeitpunkte während eines Sommertages.

4 Zusammenfassung und Ausblick Die Modelica-Bibliothek BuildingSystems ermöglicht eine Konfigurierung auch multiphysikalischer komplexer Systemmodelle zur integrierten energetischen Gebäude- und Anlagensimulation. Durch die Verwendung von Modellen unterschiedlicher Detaillierungstiefe kann flexibel auf die jeweilige Fragestellung der Simulationsanalyse eingegangen und Rechenzeiten können minimiert werden, z. B. für die detaillierte Simulation eines vielzonigen Gebäudes oder für ein gesamtes Stadtquartier. Im Bedarfsfall können die Modelle der Bibliothek auch über Co-Simulation mit anderen Simulationswerkzeugen zu übergeordneten SystemModellen kombiniert werden. Die Möglichkeit zur 3D-Visualisierung verschafft dem Anwender einen intuitiven Überblick über den Gesamtzustand eines Modells während des Simulationsexperiments. Nächste Entwicklungsschritte bestehen in der weiteren Implementierung der detaillierten thermischen 1D- und 3DGebäudemodelle, in der Erweiterung des Umfangs der energetischen Komponentenmodelle und in der Verbesserung der 3D-Visualisierungstechnik. Seit Herbst 2012 steht die Modelica-Bibliothek BuildingSystems interessierten Nutzern und Mitentwicklern unter einer Open-Source-Lizenz auf der Seite http://www. modelica-buildingsystems.de zur Verfügung. Literatur [1] Modelica 2012. An Unified Object-Oriented Language for Physical Systems Modeling. Language Specification Version 3.2 Revision 1. Modelica Association. [2] Felgner, F., Augustina, S., Cladera Bohigas, R., Merz, R., Litz, L.: Simulation of Thermal Building Behaviour in Modelica. Proceedings of the 2nd International Modelica Conference, 18.–19. March 2002, Oberpfaffenhofen/Germany. [3] Noudui, T., Nytsch-Geusen, C., Holm, A., Sedlbauer, K.: Object-oriented hygrothermal building physics library as a tool to predict and to ensure a thermal and hygric indoor comfort in building construction by using a Predicted-Mean-Vote (PMV)

control ventilation system. Proceedings of the Nordic Symposium of Building Physics, 16.–18. June 2008, Copenhagen/ Denmark. [4] Wetter, M., Zuo, W., Nouidui, T.: Recent Developments of the Modelica “Buildings” Library for Building Energy and Control Systems. Proceedings of the 8th International Modelica Conference, Dresden/Germany, 2011. [5] Müller, D., Badakhshani, A. H.: Gekoppelte Gebäude- und Anlagensimulation mit Modelica. Proceedings of the 3rd German-Austrian IBPSA Conference, 22.–24. September 2010, Vienna/Austria. [6] Nytsch-Geusen, C., Ljubijankic, M., Unger, S.: Modeling of complex thermal energy supply systems, based on the Modelica-Library FluidFlow. Proceedings of the 7th International Modelica Conference, 20.–22. September 2009, Como/Italy. [7] ANSYS 2012. Homepage ANSYS CFD: http://www.ansys. com/Products/Simulation+Technology/Fluid+Dynamics/ ANSYS+CFD. [8] Kossel, R., Correia, C., Loeffler, M., Bodmann, M., Tegethoff, W.: Verteilte Systemsimulation mit TISC. ASIM-Workshop 2009 mit integrierter DASS’, Dresden/Germany, 2009. [9] EnergyPlus 2012. Homepage EnergyPlus: http://apps1.eere. energy.gov/buildings/energyplus/. [10] Wetter, M.: Co-simulation of building energy and control systems with the Building Controls Virtual Test Bed. Journal of Building Performance Simulation, 4 (2011), No. 3, pp. 185–203. [11] Höger, C., Mehlhase, A., Nytsch-Geusen, C., Isakovic, K., Kubiak, R.: Modelica3D – Platform independent simulation visualization. Proceedings of the 9th International Modelica Conference, 3.–5. September 2012, München/Germany. [12] Rädler, J., Huber, J., Ljubijankic, M., Nytsch-Geusen, C.: Accessing External Data on Local Media and Remote Servers Using a Highly Optimized File Reader Library. Proceedings of the 9th International Modelica Conference, 3.–5. September 2012, München/Germany. [13] Ederer, K., Huber, J., Nytsch-Geusen, C., Seelig, S., Unger, S., Wehage, P.: Konzeption und Planung solarunterstützter Energieversorgungs-systeme für New Towns im Iran. Tagungsband 20. Symposium Thermische Solarenergie. Staffelstein, OTTITechnologiekolleg, Regensburg/Germany, 2010. [14] Ljubijankic, M., Nytsch-Geusen, C., Rädler, J., Löffler, M.: Numerical coupling of Modelica and CFD for building energy supply systems. Proceedings of the 8th International Modelica Conference, 20.–22. March 2011, Dresden/Germany.

Autoren dieses Beitrages: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Christoph Nytsch-Geusen, M.Sc. Dipl.-Ing.(FH) Jörg Huber, Dipl.-Ing. Manuel Ljubijankic und Dipl.-Ing. Jörg Rädler Universität der Künste Berlin, Institut für Architektur und Städtebau, Lehrstuhl für Versorgungsplanung und Versorgungstechnik Hardenbergstraße 33, 10623 Berlin

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Fachthemen Sebastian Stratbücker Sumee Park Sandeep Rao Bolineni

DOI: 10.1002/bapi.201310039

Effiziente Strahlungssimulation für ein thermisches Behaglichkeitsmodell Der Beitrag untersucht globale und lokale Effekte asymmetrischer kurzwelliger und langwelliger Strahlung in Gebäudemodellen mit komplexen 3D-Geometrien. Das neu entwickelte Simulationsverfahren berechnet die thermische Last auf Personen durch nichtuniforme Umgebungstemperaturen und solare Strahlung in Innenräumen. Das Berechnungsverfahren nutzt dabei eine effiziente Strahlverfolgung und Sichtfaktorberechnung mittels programmierbarer Grafik-Hardware. Dadurch werden aufwendige geometriebasierte Strahlverfolgungsalgorithmen auf Arbeitsplatzrechnern für die Praxis ermöglicht. Hierzu wird der temperaturabhängige langwellige Strahlungsaustausch berechnet, sowie die Einträge kurzwelliger diffuser und direkter Solarstrahlung. Zur Gesamtbewertung wird die in der Norm definierte langwellige Strahlungstemperatur Tumrt mit den Einträgen kurzwelliger Strahlung zu Tmrt erweitert. Zur lokalen Auswertung aller Strahlungseinträge werden virtuelle „Proben“ modelliert, wie z. B. Globe-Thermometer, und an ausgewählten Raumpositionen in ein Gebäudemodell integriert. Für eine genauere Analyse der lokalen thermischen Randbedingungen werden detaillierte virtuelle Menschmodelle verwendet. Die Strahlungstemperaturen werden pro Flächenelement durch richtungsabhängige Größen ermittelt, da insbesondere asymmetrische Bestrahlung als Einflussfaktor auf die Behaglichkeit in Innenräumen gilt. Efficient radiation simulation for thermal comfort. The presented work analyses the local effects of asymmetric shortwave and longwave radiation in complex 3D building models. The new simulation tool provides thermal loads caused by non-uniform radiant temperatures and solar irradiation in indoor environments. The method implements efficient raytracing and viewfactor calculation on programmable graphic processing units. Therefor temperature based longwave radiation exchange and heat gains from direct and diffuse solar radiation are computed. Models of globethermometers are placed in selected room positions, in order to investigate local radiation impacts. Accurate analysis of local thermal conditions is enabled by detailed virtual manikin models. Radiant temperatures are evaluated by means of directional quantities, since asymmetric radiation is known to effect thermal comfort.

1 Einleitung In einem modernen Gebäude mit großer transparenter Fläche oder in einem Auto hat die solare kurzwellige Strahlung einen großen Einfluss auf die effiziente Energienutzung, sowie auf die thermische Behaglichkeit. Während die solare

Strahlung bei der Energiebilanzierung des Raumes bei allen Berechnungen von einfacher Jahresbilanz bis stündlicher Gebäudesimulation berücksichtigt wird, wird sie bei der Behaglichkeitsbewertung für Menschen in Innenräumen oft vernachlässigt. Der Grund dafür kann darin liegen, dass der solare Einfluss auf die thermische Behaglichkeit bisher nicht ausreichend in vorhandenen Normen definiert ist und es zudem an einfachen Werkzeugen für die Praxis fehlt. Die etablierten Komfortbewertungsmethoden, wie der PMV-Index in DIN EN ISO 7730 [1] oder die Operativtemperatur in DIN EN 15251 [2], betrachten die mittlere Strahlungstemperatur (MRT – Mean Radiation Temperature), die gemäß DIN EN ISO 7726 Anhang B [3] entweder nach Messverfahren, z. B. mittels geschwärzte Hohlkugel (B.2), oder nach dem Berechnungsverfahren mittels der Temperatur der umgebenden Flächen (B.4) ermittelt werden kann. Weil die Umgebungstemperaturen anhand der Information von Innenraumlufttemperatur, U-Wert der Konstruktion und Außentemperatur mit typischen Innen- und Außenwärmeübergangskoeffizienten berechnet werden können, wird das zweite Verfahren als Berechnungsverfahren genannt und oft in Gebäudesimulationen für PMV-Auswertung oder die Berechnung der Operativtemperatur integriert. Dabei stellt sich das erste Problem, dass die beiden Verfahren nicht das gleiche Ergebnis erbringen können. Während das erste Verfahren mit geschwärzter Hohlkugel die langwellige sowie die solare kurzwellige Strahlung in Betracht zieht, berücksichtigt das zweite Verfahren nur die langwellige Strahlung der Umgebung. Das zweite Problem ist, dass die PMV-Berechnung in einer Gebäudesimulation den Einfluss der solaren Strahlung zwar als Wärmeeintrag in einen Raum oder in eine thermische Zone betrachtet, aber die von der Person absorbierte Wärme vernachlässigt. Dazu kommt, dass verfügbare Gebäudesimulationsmodelle keine separate Betrachtung von fensternahen Plätzen und Innenraumplätzen unterstützen, wie es z. B. in einem Großraumbüro relevant wäre. Die direkte solare Einstrahlung wirkt sich jedoch als zusätzliche thermische Last stark auf das Behaglichkeitsempfinden aus. Die solare Direkteinstrahlung findet außer für das Messverfahren keine Beachtung in vorhandenen Normen. Fanger [4] hat sich ursprünglich in seiner Dissertation bereits mit dem Thema auseinandergesetzt, indem er den Einfluss einer direkten Bestrahlung durch hochintensive Strahlungsquellen mit einbezog (z. B. Sonne oder IR-Heizung).

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Fanger definiert zunächst die Bestrahlungsstärke und die bestrahlte Fläche der Person von der Strahlungsquelle sowie den Absorptionsgrad der Person. Mit dieser Information sowie der Strahlungstemperatur ohne Einfluss von direkter Bestrahlung (Tumrt) kann die Strahlungsbilanzierung zwischen Mensch und Umgebung durch folgende Gleichung beschrieben werden:

(

)

(

)

4 4 ε p σA eff Tcl4 − Tmrt = ε p σA eff Tcl4 − Tumrt − A pa sIdir

(1)

mit: Bekleidungsoberflächentemperatur [K] Tcl Tmrt mittlere Strahlungstemperatur [K] Tumrt mittlere Strahlungstemperatur ohne direkte Einstrahlung [K] Aeff effektive Strahlungsfläche der Person [m²] direkt bestrahlte Fläche der Person [m²] Ap Absorptionsgrad der Person [–] as Emissionsgrad der Person [–] εp Direktstrahlungsintensität [W/m²] Idir σ Stephan-Boltzmann-Konstante 5,67037 · 10–8 [W m–2 K–4]. Die „effektive Strahlungsfläche der Person“ bedeutet hier die für den Strahlungsaustausch mit der Umgebungsfläche zur Verfügung stehende Fläche einer Person, die je nach Position und Größe variiert. Ein direkt bestrahlter Anteil dieser effektiven Strahlungsfläche ist unabhängig von der Größe einer Person als Projektionsfaktor (Ap/Aeff) formuliert. Die Beeinflussung der mittleren Strahlungstemperatur durch die kurzwellige Sonneneinstrahlung kann aus Gl. (1) umgeschrieben und wie folgt ermittelt werden. 4 Tmrt = 4 Tumrt +

a s fpIdir

(2)

εpσ

wobei fp Projektionsfaktor der Person (Ap/Aeff) [–]. Die mittlere Strahlungstemperatur (MRT) anhand von DIN EN ISO 7726 Anhang B4.4 [3], nach der Definition von Fanger, ist die mittlere nicht bestrahlte Strahlungstemperatur, UMRT (Unirradiated Mean Radiant Temperatur), wenn eine Person direkter Sonneneinstrahlung ausgesetzt ist. Eine aktuelle Studie [5], [6] folgte weiter diesem Ansatz, thermische Behaglichkeit unter dem Einfluss von solarer Strahlung zu bewerten, und erweiterte die Gl. (2) mit diffuser Strahlung der Sonne, s. Gl. (3). 4 Tmrt = 4 Tumrt +

(

as f I +f I ε p σ p dir w diff

)

den Ergebnissen einer Gebäudesimulation entnommen werden. Die Berechnungsmethode für die Sichtfaktoren des langwelligen Strahlungsaustausches mit 6 Wänden sind in DIN EN ISO 77261 [3] nach Fanger [4] für sitzende und stehende Person definiert. Mit dieser Methode können jedoch lediglich einfache Raum- und Gebäudegeometrien ohne zusätzliche Strahlungshindernisse, wie z. B. Möbel, gerechnet werden. Der Projektionsfaktor der Person durch die Sonne in Gl. (2) wird je nach dem Sonnenstand und der Position der Person ermittelt. Fanger hat aus früheren experimentellen Untersuchungen den Zusammenhang zwischen Sonnenstand und Projektionsfaktor für stehende und sitzende Personen in Grafiken zusammengestellt. Dabei stellt sich die Frage, ob Ingenieure statt für die Betrachtung solarer Einstrahlung in Gebäuden (Tmrt-Berechnung) auf über 40 Jahre alte Grafiken zurückzugreifen, mit aktuellen Rechenverfahren diese Analysen bereits effizienter durchführen können.

2 Simulationsumgebung Geometrie Für die Berechnung von Strahlungsasymmetrien sind detaillierte 3D-Innenraummodelle eine Voraussetzung. Die Raumgeometrie für den ersten Anwendungsfall entspricht dem Testraum aus [7] wie in Bild 1 gezeigt. Hierbei wurde die schwere Konstruktion gewählt. Diese relativ einfache Geometrie ermöglicht es, auch vereinfachte Berechnungsmethoden (z. B. für die mittlere Strahlungstemperatur) als Referenz zu verwenden. Außerdem enthält die Norm Simulationsbeispiele welche zur Validierung der hier präsentierten Ergebnisse herangezogen werden. Die Geometrie der verwendeten Menschmodelle basiert auf einem etablierten Ergonomiemodell [8]. Dieses Modell ist parametrisierbar, d. h. es kann unter anderem in eine sitzende Haltung gebracht werden und mit der CADSoftware CATIA V5 als Oberflächenmodell aufbereitet werden. In diesem Fall wurde das Modell zusätzlich in Körpersektoren aufgeteilt, um eine spätere Kopplung mit einem Thermoregulationsmodell vorzubereiten [9]. Das vorgestellte Werkzeug ermöglicht es, „Proben“ unterschiedlicher Gestalt in einer Szene gleichzeitig an verschiedenen Positionen im Raum zu platzieren. In Bild 2

(3)

mit: Idiff diffuse Strahlungsintensität [W/m²] fw Sichtfaktor der Person zum Fenster [–]. Der Strahlungsaustausch zwischen diffuser solarer Strahlung und einer Person wird hier wie bei langwelliger Strahlung (Tumrt) mittels Sichtfaktorbestimmung abgeschätzt. Alle erforderlichen Informationen für Gl. (3) können (bis auf die Sichtfaktoren und den Projektionsfaktor) aus

Bild 1. Maße der Raumgeometrie (entnommen aus VDI 6020 [7]) Fig. 1. Dimensions of the room geometry (taken from VDI 6020 [7])

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Bild 3. Komponenten der Simulationsumgebung integriert mit CoSimA+ [11] Fig. 3. Components of the simulation environment integrated with CoSimA+ [11] Bild 2. Positionierung der Proben im Testraum nahe der transparenten Fassade (links, mittig, vorne, rechts) Fig. 2. Positioning of the probes within the example room near the transparent façade (left, center, front, right)

sind als Proben für die Analyse der Strahlungseffekte als Beispiel vier Menschmodelle im Raum positioniert. Co-Simulations Schnittstelle CoSimA+ (Co-Simulation Adaptation Platform) wurde als Framework für eine verteilte numerische Simulation entwickelt [10]. Es ermöglicht die schwache Kopplung von heterogenen Simulationsmodulen auf unterschiedlichen zeitlichen und räumlichen Skalen. CoSimA+ ist zum einen eine Laufzeitumgebung, also eine sogenannte Middleware für verteilte Co-Simulation. Als solche stellt sie Basisfunktionen für den Datenaustausch, die Synchronisation, die Konfiguration und die interaktive Steuerung der Simulation bereit. Außerdem ist eine grafische Oberfläche (GUI) für die Benutzerinteraktion und zur Visualisierung von Simulationsergebnissen bereits integriert. Zum anderen ist CoSimA+ eine dokumentierte Komponentenbibliothek (SDK), mit der neue Module entwickelt und anschließend mit wenig Aufwand integriert werden können. Das modulare Konzept ermöglicht es, die Simulationsumgebung je nach Bedarfsfall mit neuen Modulen zu erweitern. Dafür werden offene und generische Schnittstellen bereitgestellt. Die GUI lässt sich ebenfalls derart erweitern, dass neu-integrierte Module über eine gemeinsame Bedienoberfläche angesteuert werden können. In Bild 3 wird eine Übersicht zu den Komponenten der CoSimA+ Architektur gegeben. Dank der objekt-orientierten Architektur können die integrierten Module je nach Anwendungsfall miteinander gekoppelt werden und sogar zur Laufzeit dynamisch eingebunden werden. Zusätzlich zu den hier verwendeten Komponenten (vgl. Bild 3) gibt es unter anderem auch Module zur Kopplung eines menschlichen Thermoregulationsmodells nach Fiala [12], [13]. Simulationsrandbedingungen Als Randbedingungen für die Simulation werden u. a. Längen- und Breitengrad als globale Position des 3D-Gebäudemodells, Klimarandbedingungen aus einem Testreferenzjahr

(aus TRY-ASCII-Datei, generiert aus Meteonorm), Sonnenwinkel berechnet mit dem Solar Position Algorithm SPA [14], sowie Materialkennwerte und initiale Temperaturwerte gesetzt. Die Simulationsumgebung erlaubt es grundsätzlich, eine Ganzjahressimulation in beliebigen Zeitschrittweiten zu rechnen, jedoch werden meist nur kritische Übergangsphasen genauer untersucht. Zonales Gebäudemodell Am Fraunhofer Institut für Bauphysik (IBP) wurde eine Modelica-Bibliothek entwickelt, die den Wärme- und Feuchtetransport in einem Gebäude berechnet [15]. Die Hauptbestandteile der Bibliothek sind eine Materialdatenbank, ein Materialschichtmodell, Oberflächenmodelle für Innenund Außenflächen, Wandmodelle, ein Fenstermodell, sowie ein Zonenmodell. Die sogenannte Indoor Climate Library (ICLib) wurde bereits für eine gekoppelte Fahrzeugsimulation eingesetzt [16]. Die im vorgestellten Simulationswerkzeug verwendete Kopplungsschnittstelle zur Integration von ICLib-Gebäudemodellen in CoSimA+ ist das in [17] standardisierte Functional Mockup Interface (FMI). Die notwendige Erweiterung für den Einsatz in einer schwach gekoppelten Simulation ist spezifiziert als FMI for Co-Simulation und wird bereits von gängigen Werkzeugen unterstützt [18]. In Bild 4 wird veranschaulicht, wie der mittels ICLib modellierte Testraum als Functional Mockup Unit (FMU) in die gekoppelte Simulation eingebunden wird. Aus einem Third Party Tool (hier Dymola 2012) wird eine eigenständige FMU generiert (einschl. Löser). Die FMU kann über ein speziell implementiertes CoSimA+ Modul geladen, mit den Daten aus dem zentralen Simulationsmodell (Features) parametrisiert und anschließend simuliert werden. Transiente Randbedingungen werden über Skalare zur Laufzeit mit anderen Codes ausgetauscht und ermöglichen somit den Skalenübergang zwischen 1Dgleichungsbasierten Modellen und 3D-Strahlverfolgung. Sichtfaktorberechnung Ein wesentlicher Bestandteil bei geometriebasierter Strahlungsberechnung sind die Sichtfaktoren. Sie sind eine rein geometrische Größe und bezeichnen den Anteil der ausgetauschten Strahlung als Verhältnis zwischen zwei beliebigen Flächenelementen in einer Szene. Die hier verwendete

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{ float4 posV = mul(worldToView, pos); float dist = length(posV.xyz); float4 posStereo = posV / dist; posStereo.z = (–2.0f*posV.z – 10.0f)/10.0f; posStereo.w = 1.0f; oPosition = posStereo; oColor = inColor; }

Die 3D-Szene wird dabei von einer Fläche Fi aus in Richtung des Normalenvektors gerendert. Der Sichtfaktor von Fi zum Boden des Raumes wäre nach Gl. (4) der Flächenanteil der hier projizierten Bodenfläche am dargestellten Einheitskreis.

Bild 4. Kopplung des energetischen Gebäudemodells ICL über FMI mit CoSimA+ Fig. 4. Coupling the energy building model ICL via FMI with CoSimA+

Methode zur Berechnung von Sichtfaktoren ist aus dem Nusselt-Analogon hergeleitet [19]. Es besagt, dass der Sichtfaktor einer infinitesimalen Fläche Fi zu einer Fläche Fj über eine zweifache Projektion, zunächst auf eine Einheitshalbkugel (A') und dann auf einen Einheitskreis (A") um Fi ermittelt werden kann. Schließlich ist der Sichtfaktor von Fi nach Fj äquivalent zum Flächenverhältnis von A" zum Einheitskreis. ψ ij =

A ''j

(4)

mit: ψij Sichtfaktor von Fi nach Fj [–] A"j Flächeninhalt nach stereografischer und orthogonaler Projektion [m²].

Strahlungstemperatur Nachdem die Oberflächentemperaturen der Flächenelemente aus anderen Simulationsmodulen (z. B. dem Zonalen Modell) bestimmt werden und genaue Sichtfaktoren zwischen den „Proben“ und den umschließenden Flächen vorhanden sind, kann für jede Teilfläche Fi (z. B. Hautsektoren eines RAMSIS-Menschmodells) eine individuelle mittlere Strahlungstemperatur Ti,umrt nach Gl. (5) hergleitet werden: Ti,umrt =

∑ ψ ij Tj4

(5)

j=0

ψij Sichtfaktor von Fi nach Fj [–] Tj Oberflächentemperatur von Fj [K]. Direkte Solarstrahlung Die direkte Solarstrahlung wird ebenfalls über eine OpenGL-3D-Funktionalität mit zusätzlichem Cg Vertex Shader realisiert. Es implementiert zunächst ein eigens entwickeltes, vereinfachtes Fenstermodell mit einem vom Einstrahlwinkel abhängigen Transmissionsgrad (g-Wert), der typischerweise in einem Bereich von 0 bis 90 Grad Normalenwinkel gegen 0 % Transmission abfällt. Das Shader-Programm erzeugt eine Parallelprojektion des 3D-Modells von

Die erste Projektion auf die Halbkugel entspricht einer stereographischen Abbildung, welche direkt in einem Cg-Vertex-Shader-Programm implementiert werden kann [20], [21]. Diese Methode ist sehr effizient, da sie die parallelen Rechenkerne moderner Grafikkarten optimal ausnutzt, und dabei Abschattungen und Sichtbarkeitsentscheide in komplexen Raumgeometrien mit guter Genauigkeit und hoher Geschwindigkeit berechnet. Die zweifache Projektion auf die Ebene eines Flächenelements wird in Tafel 1 für jeden Vertex des 3D-Modells während des Renderings durchgeführt. Das Ergebnis eines einzelnen Renderings ist beispielhaft in Bild 5 gezeigt. Tafel 1. Vertex Shader für stereografische Projektion Table 1. Vertex Shader for stereographic projection void stereo_proj( float4 pos float4 inColor out float4 oPosition out float4 oColor uniform float4x4 uniform float4x4

: POSITION, : COLOR, : POSITION, : COLOR, worldToView, viewProject)

Bild 5. Bild einer zweifachen Projektion zur Bestimmung der Sichtfaktoren basierend auf dem Flächenverhältnis im Nusselt-Analogon Fig. 5. Image of a twofold projection for calculation of viewfactors based on area ratios in Nusselts Analogon

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der Position des von SPA berechneten, zeitabhängigen Sonnenstandes aus, Tafel 2. Hierbei wird zusätzlich die Orientierung des 3D-Modells berücksichtigt (Süd 0° und West +90°). Tafel 2. Transformation der Sonnenposition von SPA in das 3D-Modell als Polarkoordinaten Table 2. Transformation of sun position by SPA into the 3D model as polar coordinates azimuth = sunPos[0] sunPos[1] sunPos[2]

azimuth + orientation; = dist * sin(azimuth)*sin(zenith); = dist * cos(zenith); = dist * cos(azimuth)*sin(zenith);

Jede im 3D-Gebäudemodell platzierte „Probe“ wird vom Rendering Verfahren separat mittels Strahlverfolgung berechnet, um gegenseitige Verschattungseffekte zu vermeiden. Die Strahlverfolgung liefert neben der Sichtbarkeit zusätzlich noch die Einstrahlwinkel gegenüber den Oberflächennormalen der angestrahlten Flächen. Die Winkel werden vollständig im Shader-Programm berechnet und in den vier RGBA-Farbwerten der Texel kodiert, Tafel 3. Tafel 3. Ausschnitt aus Shader-Programm für farbkodierte orthogonale Projektion Table 3. Extract from Shader Program for color coded orthogonal projection oColor = inColor; if(oColor.w < 1.0f) { oColor.y = dot(nSun,nNormal); oColor.x = 0.0f; oColor.w = 0.5f; } else { oColor.x = dot(nSun,nNormal); oColor.y = 0.0f; }

Bild 6. Darstellung von lokalen Strahlungstemperaturasymmetrien, d. h. Ti,umrt in K für jeden Körpersektor Fig. 6. Coloured presentation of local radiation temperature asymmetry, i.e. Ti,umrt in K for each body sector

Der Alpha-Wert der ursprünglichen Vertex Farbe bestimmt dabei, ob es sich um eine transparente Oberfläche handelt (d. h. Alpha < 1.0). Der Kosinus des Winkels zwischen einem Flächenelement und der Sonne wird für opake Flächen im Rot-Wert gespeichert, für transparente im GrünWert (im Shader wird der Kosinus über das Skalarprodukt der normierten Vektoren berechnet). Der Winkel auf transparente Flächen ist deshalb separat abzuspeichern, um den g-Wert wie erläutert bei Fenstern winkelabhängig bestimmen zu können. Der Blau-Wert enthält eine eindeutige ID des Flächenelements in der Gebäudeszene, um die Summe der Einstrahlung in einem späteren Berechnungsschritt wieder den Szenenobjekten zuordnen zu können, vgl. Bild 7. Um den Strahlendurchgang durch transparente Flächen zu simulieren, wird die Blending-Funktion der Rendering-Pipeline genutzt. Basierend auf RGBA-Werten wird beim Rendern einer 3D-Szene der Alpha-Wert als Transparenz interpretiert. Alle Elemente (Fragmente) werden zunächst im Tiefenpuffer gespeichert und im finalen Rendering-Schritt mit einem Blending-Operator kombiniert. Die resultierenden Farbwerte werden im RGBA-Puffer abgespeichert und können dort ausgelesen werden. Um die Blending-Funktionen der OpenGL-Schnittstelle nutzen zu können, muss diese aktiviert werden und in den entsprechenden Modus geschaltet werden, Tafel 4. Tafel 4. Aktivieren der richtigen Blending-Funktionen an der OpenGL-Schnittstelle für transparente Flächen Table 4. Activation of appropriate Blending Functions in OpenGL for transparent surfaces glEnable(GL_BLEND); glBlendFunc(GL_SRC_ALPHA, GL_ONE_MINUS_SRC_ALPHA); // Source = (Rs, Gs, Bs, As) // Destination = (Rd, Gd, Bd, Ad) // Blended = (Rs*As+Rd*(1-As), // Gs*As+Gd*(1-As), // Bs*As+Bd*(1-As), // As*As+Ad*(1-As))

Bild 7. Bild einer farbkodierten Projektion aus relativer Sonnenposition Fig. 7. Image of a color coded projection seen from the position of the sun

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Ein Beispiel für die Projektion der Solarstrahlung auf ein Menschmodell durch transparente Flächen ist in Bild 7 zu sehen. Zu erkennen sind die unterschiedlichen Kodierungen der Körpersektoren im Blau-Wert und der Kosinus des Einstrahlwinkels im Rot-Wert des RGBA-Bildes.

3 Diskussion und Ergebnisse Berechnung der Sichtfaktoren Die Sichtfaktoren für alle vier Menschmodelle in Bild 2 werden einmal mit der vorgestellten Simulationsmethode (Bild 8) und zum Vergleich mit der Methode aus der DIN EN ISO 7726 [3] ermittelt (Bild 9). Das Ergebnis zeigt, dass die mathematischen Berechnungsverfahren der Norm relativ gut mit der vorliegenden, auf Grafikalgorithmen basierenden und sehr detaillierten Methode übereinstimmen. Wenn Tumrt mit den errechneten Sichtfaktoren für die

Bild 8. Sichtfaktoren für ausgewählte Positionen im Raum, berechnet mit der vorgestellten Methode Fig. 8. View factors for selected positions in the room, calculated with the presented method

Bild 9. Sichtfaktoren für ausgewählte Positionen im Raum, berechnet mit der Methode nach DIN EN ISO 7726, B4 [3] Fig. 9. View factors for selected positions in the room, calculated with method according to DIN EN ISO 7726, B4 [3]

„Front“-Position beispielweise bei einer Fenstertemperatur von 4,5 °C und einer Wandoberflächentemperatur von 11 °C ermittelt wird, beträgt der Unterschied zwischen den Ergebnissen etwa 0,5 K. Vergleich von Tmrt und Tumrt Bild 10 zeigt den Einfluss der solaren Strahlung auf die Strahlungstemperatur an zwei sonnigen Tagen im Januar (Direktstrahlung auf die Horizontale gegen 14 Uhr am 1. Tag 240 W/m² am 2. Tag 64 W/m²; ohne Heizung; g-Wert des Fensters: 0,79). Bei dem fensternahen Platz kann der Unterschied zwischen Strahlungstemperatur mit und ohne Berücksichtigung von kurzwelliger Strahlung über 40 K betragen. Der niedrige Sonnenstand im Winter hat großen Einfluss bis zur Mitte des Raums (Bilder 11 und 12). Das Ergebnis zeigt deutlich, dass die Operativtemperatur oder auch ein PMV-

Bild 10. Mittlere Strahlungstemperatur ohne (Tumrt) und mit (Tmrt) Berücksichtigung von solarer Strahlung am fensternahen Platz Fig. 10. Mean radiant temperature without (Tumrt) and with (Tmrt) consideration of solar radiation at the position near window

Bild 11. Mittlere Strahlungstemperatur ohne (Tumrt) und mit (Tmrt) Berücksichtigung von solarer Strahlung in der Raummitte Fig. 11. Mean radiant temperature without (Tumrt) and with (Tmrt) consideration of solar radiation at the center position

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und Raumforschung gefördert. (Aktenzeichen: DF10.08.18.7-11.36/II 3-F20-09-1-026). Vorarbeiten wurden im Rahmen der internen Programme der Fraunhofer Gesellschaft geleistet, Fördernummer Attract 692239. Die Verantwortung für den Inhalt des Berichtes liegt beim Autor.

Literatur

Bild 12. Darstellung der direkten Solarstrahlung pro Körpersektor in [W/m²] im Winter Fig. 12. Illustration of the direct solar radiation for each body sector in [W/m²], winter case

Maß nach DIN EN ISO 7726, B4 [3] bei der Behaglichkeitsbewertung an Bedeutung verliert, sobald eine Person direkt solarer Strahlung ausgesetzt ist. Lokale Strahlungsasymmetrie Das vorgestellte Simulationswerkzeug ermöglicht nicht nur eine gesamte Behaglichkeitsbewertung an unterschiedlichen Positionen im Innenraum, sondern auch die Analyse lokaler Strahlungsasymmetrien, vor allem auf einzelne Körperregionen. Für erste Berechnungen können in 8 Richtungen weisende virtuelle Globethermometer als Proben in die Raumgeometrie platziert werden. In kritischen Fälle kann die Strahlungsasymmetrie an 48 definierten Körperteilen ermittelt werden. Diese detaillierteren Bewertungen sind vor allem von Interesse, falls Raumklimatisierungskonzepte insbesondere mit radiativen Anteilen, z. B. der Betrieb einer Kühldecke, unter solaren Strahlungseinflüssen untersucht werden soll (vgl. Bild 12).

4 Zusammenfassung und Ausblick Der Beitrag präsentiert zuerst die Möglichkeit der Betrachtung solarer Strahlung auf thermische Behaglichkeit anhand einer vorhandenen Normgröße, der mittleren Strahlungstemperatur. Eine für diese Betrachtung erforderliche Simulationsumgebung wurde entwickelt und mit einem bestehenden zonalen Gebäudemodell auf einer Co-Simulationsplattform integriert. Das Tool soll in weiteren Schritten mit vorhandenen Fenstermodellen (Datenbank-Schnittstelle) erweitert werden, so dass die Sonnenschutzsteuerung effektiv bewertet werden kann. Falls die Zugerscheinungen in einem Raum analysiert werden sollen oder eine detaillierte Betrachtung des Zusammenhangs zwischen lokaler und gesamter thermischer Behaglichkeit nötig ist, kann das Tool über CoSimA+ mit einem verfeinerten zonalen Lüftungsmodell oder einem menschlichen Thermoregulationsmodell gekoppelt werden.

Danksagung Die Forschungsarbeit wurde mit Mitteln der Forschungsinitiative Zukunft Bau des Bundesinstituts für Bau-, Stadt-

[1] DIN EN ISO 7730:2005 – Ergonomie der thermischen Umgebung – Analytische Bestimmung und Interpretation der thermischen Behaglichkeit durch Berechnung des PMV- und des PPD-Indexes und Kriterien der lokalen thermischen Behaglichkeit (ISO 7730:2005). [2] DIN EN 15251:2007 – Eingangsparameter für das Raumklima zur Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden – Raumluftqualität, Temperatur, Licht und Akustik. [3] DIN EN ISO 7726:2001 – Umgebungsklima – Instrumente zur Messung physikalischer Größen (ISO 7726:1998). [4] Fanger, P. O.: Thermal comfort. Analysis and applications in environmental engineering. New York: McGraw-Hill, 1972. [5] La Gennusa, M., Nucarra, A., Rizzo, G., Gianluca, S.: The calculation of the mean radiant temperature of a subject exposed to the solar radiation – a generalized algorithm. Energy Build. 3 (2005) pp. 367–375. [6] La Gennusa, M., Nucarra, A., Rizzo, G., Pietrafesa, M.: A model for managing and evaluating solar radiation for indoor thermal comfort. Solar Energy. 81 (2007), pp. 594–606. [7] VDI 6020:2001. Anforderungen an Rechenverfahren zur Gebäude- und Anlagensimulation – Teil 1 – Gebäudesimulation. Berlin: Beuth Verlag, 2001. [8] Ramsis. 2005 Ramsis in Catia V5 User Guide, Version 3.8, Human Solutions GmbH, Kaiserslautern, Deutschland. [9] van Treeck, C., Stratbücker, S., Bolineni, S. R., Wölki, D., Holm, A.: Human-centred indoor thermal performance analysis by scale-adaptive coupling of heterogeneous computational codes. In: Building Simulation 2011, Sydney/Australia. [10] Stratbücker, S., van Treeck, C.: CoSimA+ Co-simulation Adaptation Platform. Fraunhofer-Institut für Bauphysik, IBP Report 37-2010. [11] Stratbücker, S., van Treeck, C., Bolineni, S. R., Wölki, D., Holm, A.: A co-simulation framework for scale-adaptive coupling between heterogeneous computational codes. In: Roomvent 2011, Trondheim/Norway. [12] Paulke, S.: Finite element based implementation of Fiala’s thermal manikin in THESEUS-FE. In: EUROSIM 2007. [13] Fiala, D., Lomas, K. J., Stohrer, M.: A computer model of human thermoreg. for a wide range of env. conditions: the passive system. J Appl Physiol 87, pp. 1957–1972. [14] Reda, I., Andreas, A.: Solar Position Algorithm for Solar Radiation Applications. Solar Energy, 76 (2004), No. 5, pp. 577–589. [15] Nouidui, T.: Entwicklung einer objektorientierten Modellbibliothek zur Ermittlung und Optimierung des hygrothermischen und hygienischen Komforts in Räumen. Dissertation, Universität Stuttgart, 2008. [16] Schmidt, C., Stratbücker, S., Bolineni, S. R., Norrefeldt, V., Wölki, D., Grün, G., van Treeck, C.: Tagung PKW-Klimatisierung, Tagungsband Renningen, pp. 24–39. [17] MODELISAR Consortium. 2010. Functional Mock-up Interface for Co-Simulation. Version 1.0, October 2010, functional-mockup-interface.org [18] Arnold, M., Schierz, T., Blochwitz, T., Neidhold, T., Clauß, C., Wolf, S.: FMI for CoSimulation. 1st Conference on Multiphysics Simulation. Bonn/Germany, 2010. [19] Cohen, M., Wallace, J.: Radiosity and realistic image synthesis. Academic Press, 1993.

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S. Stratbücker/S. Park/S. R. Bolineni · Effiziente Strahlungssimulation für ein thermisches Behaglichkeitsmodell

[20] Coombe, G., Harris, M. J., Lastra, A.: Radiosity on graphics hardware. In: Conference on Graphics Interface, May 2004, pp. 161–168. [21] Takizawa, H., Yamada, N., Sakai, S., Kobayashi, H.: Radiative heat transfer simulation using programmable graphics hardware. 5th IEEE/ACIS International Conference on Computer and Information Science, 2006.

Autoren dieses Beitrages: Dipl.-Inf. Sebastian Stratbücker, Dipl.-Ing. Sumee Park, Sandeep Rao Bolineni, M.Sc. Alle: Fraunhofer Institut für Bauphysik, Abt. Raumklima, Fraunhoferstraße 10, 83626 Valley

Aktuell 13. Deutscher Fassadentag 2012: Baukultureller Anspruch und Großsiedlungen schließen sich nicht aus Von der Tortilla-Krise über die vierte Säule der Nachhaltigkeit bis hin zur vorgehängten hinterlüfteten Fassade (VHF) als aktiver Klimaschutz und die „sechs Regeln der Baukultur“ bot der 13. Deutsche Fassadentag am 28. November 2012 in München ein spannendes Themenspektrum. Unter der Überschrift „Wohnungswirtschaft und Nachhaltigkeit. Alles nur Fassade?“ kamen rund 80 Teilnehmer aus Architektur, Wohnungs- und Immobilienwirtschaft, Bauindustrie und Fachverarbeiter zusammen. Zahlreiche Beispiele aus der Wohnungswirtschaft veranschaulichten, dass insbesondere in Großsiedlungen die Fassadengestaltung – im Zuge einer energieeffizienten Sanierung – eine tragende Rolle spielt und zur Aufwertung und Identifikation der Bewohner mit dem Quartier führt. Verdichtung statt Zersiedlung Am Beispiel der Tortilla-Krise*) erläuterte Prof. Dr.-Ing. Jens-Uwe Fischer, Institut für Infrastruktur und Ressourcenmanagement der Universität Leipzig, dass das Thema Nachhaltigkeit nicht eindimensional betrachtet werden darf, sondern dass der Verbrauch von Flächen und Rohstoffen stetig angepasst und überprüft werden muss. Übersetzt auf die Ballungszentren plädierte er für die „Stadt der kurzen Wege“, wo Wohnen, Freizeit und Arbeit in einem Quartier stattfinden. Zudem kann und sollte die vorgehängte hinterlüftete Fassade in Zukunft mehr leisten, z. B. als aktiver Wärmespeicher und Kühlsystem. Die Fassade als Adresse denken Ralf Protz, Leiter des Kompetenzzentrums Großsiedlungen e.V., Berlin veran-

schaulichte das Potential der großen Wohnsiedlungen. Es sei wünschenswert, dass bei einer Sanierung die vorhandenen Qualitäten erkannt und erhalten werden. In diesem Zusammenhang sprach er sich für eine vierte Säule der Nachhaltigkeit aus, die sich neben der ökologischen, der ökonomischen und der sozialen auch zu einer baukulturellen Verantwortung bekennt. Eine energetisch hochwertige, sanierte Fassade kann das Haus zu einer „Adresse“ machen, mit der sich die Bewohner identifizieren. Die Teile und das Ganze Prof. Andreas Hild, Hild und K Architekten BDA, München berichtete anhand von gebauten Beispielen über Materialität und Plastizität einer Fassade. Vor- und Rücksprünge, Überschneidungen und bündige Übergänge zwischen verschiedenen Werkstoffen machen die vorgehängte hinterlüftete Fassade lebendig und schaffen Präsenz und Qualität im Stadtraum. Darüber hinaus machte er auch den entscheidenden Unterschied im Vergleich zum WDVS deutlich: Die Systemkomponenten der VHF lassen sich trennen und in den Werkstoffkreislauf zurückführen, damit sind sie wesentlich nachhaltiger. Ein Thema, dem sich Architekten und Unternehmen auch bei Umbau und Weiternutzung und im Hinblick auf graue Energie in Zukunft stellen müssen. Ein Recht auf Baukultur Prof. Michael Braum, Vorstandsvorsitzender der Bundesstiftung Baukultur ermahnte zum verantwortungsvollen Umgang mit der Umwelt und empfahl die VHF als identitätsstiftend. Vergleichbar mit einem Mobile überzeugt Baukultur nur dann, wenn sich die einzelnen Bestandteile in einem sinnfälligen Miteinander bewegen. Er plädierte für „die sechs Rechte der Baukultur“: das Recht

auf nachhaltigen Einsatz von Ressourcen, das Recht auf Respekt vor dem Bestand, das Recht auf Identität sowie die Rechte auf Landschaft, auf Schönheit und auf Diskussionskultur. In der abschließenden Podiumsdiskussion resümierte Moderatorin Ulrike Silberberg, Chefredakteurin der DW Die Wohnungswirtschaft, dass Großsiedlungen und baukultureller Anspruch einander nicht ausschließen und hier integrierte Nachhaltigkeitskonzepte gefragt sind. Der 13. Deutsche Fassadentag gab den Startschuss für das kommende Jahr mit zahlreichen Veranstaltungen zum Thema „VHF – Fassade der Zukunft“. Im Jubiläumsjahr 2013 feiert der FVHF zudem sein 20-jähriges Bestehen und zehn Jahre Deutscher Fassadenpreis für VHF. Der 14. Deutsche Fassadentag findet im Mai 2013 in Heidelberg zum Thema „Wie stellen wir uns die Fassade der Zukunft vor? Welche Lösungen sind zukunftsfähig? Wo und wie gilt es diese weiterzudenken?“ statt. *)

Tortilla-Krise: 2007 fielen der Beitritt Mexikos zum Freihandelsabkommen Nafta und die in den USA steigende Nachfrage nach Mais zur Produktion von Biokraftstoff für Autos zusammen. Das führte dazu, dass viele Mexikaner das Grundnahrungsmittel zur Herstellung der Tortillas kaum noch bezahlen konnten.

Weitere Informationen: FVHF Fachverband Baustoffe und Bauteile für vorgehängte hinterlüftete Fassaden e.V. Kurfürstenstraße 129 10785 Berlin Tel. +49(0)30/21 28 62 81 Fax +49(0)30/21 28 62 41 E-Mail: info@fvhf.de www.fvhf.de

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Fachthemen Susanne Urlaub Lioba Werth Anna Steidle Christoph van Treeck Klaus Sedlbauer

DOI: 10.1002/bapi.201310043

Methodik zur Quantifizierung der Auswirkung von moderater Wärmebelastung auf die menschliche Leistungsfähigkeit Die Umgebungstemperatur übt einen vielfältigen Einfluss auf Gesundheit, Wohlbefinden und Leistungsfähigkeit des Menschen aus. Durch die zunehmende Verlagerung von Arbeitsplätzen in Büros rückt der Bereich der moderaten Wärmebelastung, wie er beispielsweise in natürlich belüfteten Gebäuden im Sommer auftritt, in den Fokus. Hierzu ist aus der bisherigen empirischen Forschung ein Zusammenhang zwischen Raumtemperatur und Arbeitsleistung ermittelt worden, der allerdings verschiedene Nachteile für die Tauglichkeit als Planungskriterium für Gebäude aufweist. Der in der Psychologie weit verbreitete Ansatz der Meta-Analyse kann dabei einen wertvollen Beitrag zur Lösung dieses Problems leisten. In dem Beitrag wird systematisch die Methode der MetaAnalyse aufgezeigt und anhand einiger konkreter Beispiele das Potential für eine Integration von nutzerbasierten Verhaltensmustern in eine Gebäudesimulation dargestellt. Methodology for the quantification of the influence of moderate heat stress on human performance. Ambient thermal conditions have fundamental impact on human health, well-being and working performance. Due to the increasing amount of office-related work such as in naturally ventilated buildings, the impact of moderate thermal stress to individuals becomes more and more important to be understood. Based on available empirical research, a mathematical relation has been established which, however, shows disadvantages in terms of its eligibility as building design criterion. The method of meta-analysis, which is a well-established method of psychological research, can contribute to solve this problem in terms of providing further insight into the mentioned relation. In this paper, the method of meta-analysis is introduced and its potential is shown by practical illustrations, how occupant-based data may be integrated into building simulation.

1 Einführung Die Umgebungstemperatur übt einen vielfältigen Einfluss auf Gesundheit, Wohlbefinden und Leistungsfähigkeit des Menschen aus. Während es in unserem Wohnumfeld vor allem darauf ankommt, dass sich der Mensch wohlfühlt und keine gesundheitlichen Einschränkungen hinnehmen muss, steht beim Arbeitsumfeld zusätzlich noch eine ökonomische Komponente im Fokus: Kann ein Mitarbeiter seine Leistung aufgrund baulicher Parameter nicht optimal abrufen, steht die daraus resultierende Wertschöpfung auch dem Arbeitgeber nicht zur Verfügung. Insbesondere das thermische Raumklima bietet einer Studie zufolge häufig Grund zur Beschwerde [1]. Die Auswertung der IFMA er-

gab, dass nahezu jedem befragten Gebäudebetreiber Beschwerden über eine zu kalte oder zu warme Umgebung vorliegen, während beispielsweise Beschwerden über Lärmbelästigung weitaus seltener vorkommen. Forschung richtete sich längere Zeit überwiegend auf die Untersuchung der Auswirkungen von Wärme- oder Kältebelastung auf die Arbeitsleistung im militärischen und industriellen Kontext. Dort sind in der Regel sehr hohe oder sehr niedrige Temperaturen vorherrschend, z. B. [2], [3]. Die Resultate deuten darauf hin, dass sowohl bei sehr kalter als auch bei sehr warmer Umgebung die Leistungsfähigkeit stark eingeschränkt sein kann, vgl. dazu z. B. [4]. Durch die zunehmende Verlagerung von Arbeitsplätzen in Büros rückt anstelle der extremen nun die moderate Wärmebelastung in den Fokus. Im Gegensatz zu industriellen Arbeitsplätzen treten keine Extrembelastungen durch maschinelle Wärmelast o. Ä. auf, bei denen beispielsweise der Feuchtehaushalt in den Vordergrund rücken würde. Da die Tätigkeiten zusätzlich zu den geringeren Wärmelasten vor allem im Sitzen durchgeführt werden und geistige Arbeit überwiegt, ist alles in allem betrachtet die Wärmebelastung des Menschen geringer als in den oben beschriebenen Extrembereichen. Ein typisches Problem bei Büroarbeitsplätzen ist die sommerliche Überwärmung der Räume, beispielsweise bedingt durch starke Sonneneinstrahlung in natürlich belüfteten Gebäuden. Für solche Arbeitsräume wurde in der Vergangenheit arbeitsrechtlich eine pauschalierte Temperaturobergrenze von 26 °C in der Arbeitsstättenrichtlinie festgeschrieben [5]. Trat nun das erwähnte Problem der sommerlichen Überwärmung auf, hatte dies in einigen Fällen erhebliche Konsequenzen für den Gebäudeeigentümer (Nachrüstung [6], oder Mietminderung [7]). Das Vorschreiben eines deterministischen Wertes steht zudem im Widerspruch mit geltenden Regeln der Technik im Bereich adaptiver Behaglichkeitsrichtlinien [8]. Die wissenschaftliche Erforschung des Einflusses von moderater Wärmebelastung auf die Arbeitsleistung weist demzufolge eine enorme Wichtigkeit für wirtschaftliche Betrachtungen von Gebäuden auf. Mittlerweile wurde die Arbeitsstättenrichtlinie zwar dahingehend novelliert, dass der Grenzwert von 26 °C nun nicht mehr als absoluter Wert gilt, sondern eine Überschreitung bei geeigneten Kompensationsmaßnahmen (z. B. Lockerung des Bekleidungskodex) zulässig ist [9]. Jedoch ist der tatsächliche Einfluss der

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2 Bisherige AnsĂ¤tze zur Quantifizierung des Zusammenhangs von Temperatur und LeistungsfĂ¤higkeit SeppĂ¤nen, Fisk und Lei entwickelten eine mathematische Funktion, die bislang als plausibelster Zusammenhang zwischen der Raumtemperatur und der Arbeitsleistung im moderat-warmen Bereich angesehen wird. FĂźr die Ermittlung dieser Funktion wurde eine Regressionsanalyse Ăźber 24 Studien hinweg durchgefĂźhrt [13]. Die Basis fĂźr diese Analyse bildeten prozentuale VerĂ¤nderungen der LeistungsfĂ¤higkeit der Teilnehmer in den einzelnen Bedingungen.

Mathematisch lĂ¤sst sich demnach der Zusammenhang zwischen Raumtemperatur und LeistungsfĂ¤higkeit gemĂ¤Ă&#x; Gl. (1) ausdrĂźcken. Die Variable P stellt dabei die prozentuale Ă&#x201E;nderung der Leistung dar, wĂ¤hrend T die Raumtemperatur bezeichnet: P = 0,1647524 â&#x2039;&#x2026; T â&#x2C6;&#x2019; 0,0058274 â&#x2039;&#x2026; T 2 + 0,0000623 â&#x2039;&#x2026; T 3 â&#x2C6;&#x2019; â&#x2C6;&#x2019; 0,4685328

Bild 1. Zusammenhang zwischen Raumtemperatur und LeistungsfĂ¤higkeit nach [13] Fig. 1. Relationship between room temperature and human performance, according to [13]

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(1)

Bild 1 zeigt grafisch den in Gl. (1) dargestellten Verlauf. Demnach liegt die fĂźr BĂźroarbeit optimale Raumtemperatur bei ca. 21,6 Â°C, wĂ¤hrend bei 30 Â°C eine Verschlechterung von ca. 10 % festzustellen ist. Festzustellen ist jedoch zum einen, dass viele Studien bei der Ermittlung dieses Zusammenhangs nicht berĂźcksichtigt wurden (z. B. [14], [15]) und seit DurchfĂźhrung dieser Analyse sehr viele weitere Untersuchungen durchgefĂźhrt wurden. Zum anderen ist anzumerken, dass vergleichsweise viele Feldstudien, bei denen im Gegensatz zu Laborstudien zahlreiche EinflussgrĂśĂ&#x;en nicht konstant gehalten oder kontrolliert werden kĂśnnen, in den Berechnungen enthalten sind. So ist beispielsweise eine Studie enthalten, die in einem natĂźrlich belĂźfteten GebĂ¤ude durchgefĂźhrt wurde, in welchem die Raumtemperatur ebenfalls (nicht kontrollierten) Schwankungen unterlag [16]. Hier ist es schwierig, sicherzustellen, dass die berechneten Unterschiede in der Aufgabenbearbeitung tatsĂ¤chlich auf die unterschiedlichen Raumtemperaturen zurĂźckzufĂźhren sind. Die von SeppĂ¤nen und Fisk entwickelte Funktion bietet einen ersten Orientierungspunkt zur KlĂ¤rung des Zusammenhangs zwischen moderat-warmen Raumtemperaturen und LeistungsfĂ¤higkeit bei bĂźro-Ă¤hnlichen Aufgaben. So lĂ¤sst sich daraus ableiten, dass moderate WĂ¤rmebelastung offenbar durchaus einen negativen Einfluss auf die menschliche LeistungsfĂ¤higkeit haben kann. Weitere Aussagen, die der GebĂ¤udeplanung verlĂ¤ssliche Hinweise darauf geben, sind hieraus jedoch nicht ableitbar. In einem weiteren Schritt muss nun daher zum einen geklĂ¤rt werden, ob die bisherigen und im Speziellen die Ergebnisse aus neueren Forschungsarbeiten in diesen Zusammenhang integrierbar sind und ob es zum anderen mĂśglicherweise weitere spezifische Einflussfaktoren gibt. HierfĂźr sind zusĂ¤tzliche, differenziertere

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Raumtemperatur auf die Arbeitsleistung nach wie vor nicht eindeutig bestimmt. Dies ist insbesondere darauf zurĂźckzufĂźhren, dass die vorhandenen Forschungsbefunde wenig belastbare Ergebnisse Ăźber einen mĂśglichen Zusammenhang bzw. eine tatsĂ¤chliche Verschlechterung der LeistungsfĂ¤higkeit bei Temperaturen Ăźber 26 Â°C anbieten kĂśnnen, vgl. dazu [10]. Um GebĂ¤ude sowohl nutzergerecht optimal (also dergestalt, dass auf keinen Fall ein Temperaturwert Ăźberschritten wird, bei dem die Nutzer nicht mehr adĂ¤quat arbeiten kĂśnnen) als auch ressourcenoptimiert (also beispielsweise die Begrenzung des Energiebedarfs fĂźr Herstellung, Betrieb und Entsorgung betreffend) zu planen, wĂ¤re ein solcher Zusammenhang jedoch unbedingt notwendig. Einen ersten LĂśsungsversuch haben Autoren unternommen, die die vorhandenen Publikationen zu Ă&#x153;berblicksartikeln zusammenfassten und so Gemeinsamkeiten der Befunde herausstellen konnten, siehe z. B. [4], [11], [12]. Die HeterogenitĂ¤t der Studien und ihrer methodischen AnsĂ¤tze erschwerten allerdings die Vergleichbarkeit der Studien; die GrĂśĂ&#x;e des Einflusses der Raumtemperatur auf die LeistungsfĂ¤higkeit war auf diese Weise nicht verlĂ¤sslich zu bestimmen. Einen anderen Weg haben SeppĂ¤nen, Fisk und Lei beschritten, indem sie eine rechnerische Quantifizierung des Einflusses von Raumtemperatur und Arbeitsleistung ermittelten [13]. Diese bietet einen ersten guten Ă&#x153;berblick, unterliegt jedoch ebenfalls EinschrĂ¤nkungen in der Aussagekraft, welche im unten folgenden Abschnitt beschrieben werden. Daher gilt es, eine Methodik zu finden, die statistisch verlĂ¤ssliche Aussagen zum Einfluss der Raumtemperatur auf die Arbeitsleistung ermitteln und darstellen kann. AuĂ&#x;erdem sollte eine verlĂ¤ssliche Aussage Ăźber zugrundeliegende Mechanismen oder EinflussgrĂśĂ&#x;en mĂśglich sein, mit deren Hilfe mĂśglicherweise die bisher verfĂźgbaren widersprĂźchlichen Ergebnisse erklĂ¤rt werden kĂśnnen. Im folgenden Beitrag wird aufgezeigt, dass und wie der in der Psychologie weit verbreitete Ansatz der Meta-Analyse diesen, fĂźr die GebĂ¤udeplanung wesentlichen Anforderungen nachkommen und verlĂ¤ssliche Aussagen bieten kann. Dazu wird zunĂ¤chst auf bisherige AnsĂ¤tze, den Zusammenhang zwischen Raumtemperatur und der Arbeitsleistung zu quantifizieren, eingegangen, bevor im Anschluss die Methode der Meta-Analyse vorgestellt wird. Anhand bisher durchgefĂźhrter Arbeiten wird exemplarisch aufgezeigt, ob die daraus gewonnenen Erkenntnisse fĂźr den moderatwarmen Bereich ausreichend sind, um aus diesen eine Planungsgrundlage fĂźr GebĂ¤ude abzuleiten. Mittels eines konkreten Beispiels wird schlussendlich das Potential dieser Methode verdeutlicht.

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Betrachtungsweisen nötig. So ist beispielsweise noch nicht geklärt, ob eine Temperatur von beispielsweise 30 °C generell einen negativen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit hat, oder erst ab einer gewissen Zeit, die der betreffende Nutzer in der Bedingung verbringt, überhaupt eine Veränderung eintritt. Auch ist nicht geklärt, inwiefern sich weitere Variablen, wie etwa der Bekleidungsgrad oder die Art der Tätigkeit auf die Leistungsfähigkeit bei erhöhter Raumtemperatur auswirken bzw. ob es Maßnahmen gibt, mit denen sich solchen Leistungseinbußen begegnen lässt. Sowohl die allgemeine als auch die differenzierte Betrachtungsweise lassen sich mit Hilfe des meta-analytischen Ansatzes − noch dazu auf soliderer Datenbasis – abbilden. So kann eine grundlegende Aussage ermittelt werden, ob es einen generellen Einfluss von moderat-warmen Raumtemperaturen auf die Leistungsfähigkeit gibt und wenn ja, wie groß dieser ist. Zudem lassen sich aber auch Aussagen über spezifischere, zusätzliche Einflussfaktoren (so genannte Moderatorvariablen), wie beispielsweise den vorweg beschriebenen Einfluss der zeitlichen Exposition in einer bestimmten thermischen Bedingung, treffen. Sind fundierte Aussage zur Veränderung der Leistungsfähigkeit bei unterschiedlichen Temperaturen getroffen, können diese in eine Gebäudesimulation integriert werden. Eine solche Integration wurde bereits gezeigt [17]. Die Autoren nutzen in ihrer Simulation beispielhaft die Funktion von Seppänen, Fisk und Lei. Dies zeigt demzufolge, dass eine Gebäudeplanung basierend auf nutzerbasierten Daten wie der Veränderung der Leistungsfähigkeit bei moderater Wärmebelastung möglich sein kann. Mit Hilfe einer Meta-Analyse ließen sich dann zusätzlich noch Aussagen für speziellere Planungen ermitteln.

3 Grundlagen der Meta-Analyse Definition Grundsätzlich lassen sich empirische Daten auf drei verschiedenen Ebenen untersuchen [18], [19]. Die primäre Datenanalyse bezieht sich auf die statistische Auswertung der Daten aus einem Experiment. Die sekundäre Datenanalyse bezieht sich auf die erneute statistische Auswertung einer Primärstudie, beispielsweise aufgrund der Verfügbarkeit verbesserter statistischer Verfahren. Als dritte Möglichkeit der Datenanalyse bezieht sich die Meta-Analyse auf die Analyse der Analysemethoden bzw. auf die Aggregierung sehr vieler bereits durchgeführter Analyseergebnisse. So besteht ein Datenpunkt in einer einzelnen Studie aus den Daten einer Versuchsperson, während in der Meta-Analyse die aus einer Studie aggregierten Ergebnisse einen Datenpunkt bilden. Somit kann die Meta-Analyse definiert werden als eine „Sammlung statistischer Techniken, um die Ergebnisse aus von einander unabhängigen Experimenten systematisch und quantitativ zu aggregieren, mit dem Ziel, zu einer allgemeinen Schlussfolgerung über die maßgebliche Hypothese zu gelangen“ [18], dort S. 224, Übers. der Autoren. Durchführung einer Meta-Analyse Der Grundgedanke der Meta-Analyse ist die möglichst vollständige Inklusion des bisherigen Forschungsstands, um die Gültigkeit der daraus ermittelten Aussage zu maximieren. Dazu geht jeder Meta-Analyse eine umfassende, zu doku-

mentierende Literaturrecherche voraus. Werden die gefundenen Publikationen näher ausgewertet, ist es wichtig, im Vorfeld die zu beantwortende Frage genau zu definieren, so dass Kriterien festgelegt werden können, die eine Studie erfüllen muss, um Bestandteil der Analyse zu werden. Die sorgfältige Auswahl der Studien in diesem Stadium hat einen entscheidenden Einfluss auf die Qualität der Meta-Analyse. Ein Kriterium kann dabei beispielsweise sein, dass Studien, in denen Probanden extremen Umgebungstemperaturen (über 40 °C) ausgesetzt sind, welche auch zu gesundheitlichen Beeinträchtigungen führen können, zu speziell sind für die Beantwortung der allgemeinen Frage, wie Raumtemperatur auf die Arbeitsleistung bei büroähnlichen Randbedingungen wirkt. Daher müssten solche Studien von der Analyse ausgeschlossen werden. Sind alle aufzunehmenden Studien ermittelt, werden alle wesentlichen Merkmale wie vor allem die statistischen Daten aus den untersuchten Maßen, aber auch Randbedingungen wie zeitliche Dauer der Experimente oder der Bekleidungsgrad oder die Art der bearbeiteten Aufgabe dokumentiert. Zur Quantifizierung des untersuchten Einflusses wird die so genannte Effektstärke berechnet. Diese lässt sich auf unterschiedliche Art und Weise ermitteln. Grundsätzlich berechnet sich die Effektstärke gemäß Gl. (2) aus den Mittelwerten der Vergleichsgruppen im Verhältnis zur Standardabweichung [20]: ES =

Xe − Xc s

(2)

Die ermittelten Effektstärken lassen sich in einen kleinen, mittleren oder großen Effekt einteilen. So bedeutet eine Effektstärke von 0,2 einen kleinen, 0,5 einen mittleren und 0,8 einen großen Effekt [21]. Aus den dokumentierten Daten können zusätzlich so genannte Moderatoren zur Identifizierung von wichtigen Randbedingungen oder zugrundeliegenden Mechanismen ermittelt werden [20]. Möglichkeiten und Grenzen einer Meta-Analyse Der entscheidende Vorteil der Meta-Analyse ist die höhere Qualität der aus ihr gewonnenen Aussagen im Vergleich zu den Erkenntnissen aus einer einzelnen Studie. Auch in einer einzelnen Studie lassen sich für die ermittelten Ergebnisse Effektstärken berechnen und damit eine Quantifizierung der untersuchten Zusammenhänge darstellen. Jedoch lässt sich aufgrund einer einzelnen Studie noch kein gesicherter Zusammenhang annehmen. Erst wenn mehrere Studien denselben oder einen ähnlichen Sachverhalt untersuchen, kann auf einen tatsächlichen Zusammenhang geschlossen werden. Auch lassen sich in einer einzelnen Studie Moderatorvariablen untersuchen, die jedoch ebenfalls immer nur auf einer vergleichsweise kleinen Stichprobe beruhen. Die Meta-Analyse stellt die untersuchten Zusammenhänge auf eine sehr breite Datengrundlage und überprüft die Zusammenhänge auf Basis der Summe der Stichproben aller Studien [18], [22]. Dies bedeutet, dass ein möglicher Effekt nicht nur in einer Studie mit beispielsweise 30 Teilnehmern gezeigt werden konnte, sondern an beispielsweise 56 Studien mit insgesamt über 2000 Teilnehmern (wie es bspw. der Fall ist in der Meta-Analyse von Hancock, Szalma und Ross [23]). Auch im Vergleich zu einem so genannten Überblicksartikel liefert die Meta-Analyse eine höhere Aussagegüte. In einem Überblicksartikel werden einzelne Studien eben-

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falls aggregiert, jedoch auf einer qualitativen Ebene, d. h. anhand der verbalen Interpretation der Ergebnisse einzelner Studien werden Erkenntnisse gewonnen und Schlussfolgerungen gezogen. Die Effektstärken einzelner Studien können hier, sofern vorhanden, auch interpretiert werden, sie können aber nicht ohne weiteres für eine globale Aussage über den generellen Zusammenhang dienen. In einer Meta-Analyse werden die Daten aus den Studien dagegen mittels statistischer Methoden, d. h. rechnerisch, aggregiert und gewichtet. Nach einem genau festgelegten Verfahren lässt sich so eine globale Aussage ermitteln. Liegen, wie im Bereich der moderaten Wärmebelastung auch gegensätzliche Ergebnisse vor, lassen sich Studien, die gegensätzliche oder unerwartete Tendenzen (z. B. die Verbesserung der Leistung bei höheren Temperaturen) aufweisen, nochmals genauer betrachten und ihre Bedeutung auf das Gesamtergebnis abschätzen. Um die Ergebnisse einer Meta-Analyse für eine Gebäudesimulation nutzen zu können, ist es zudem von Vorteil, wenn sich beispielsweise prozentuale Veränderungen bei bestimmten Temperaturen oder Schwellenwerten, z. B. der 26 °C-Grenze, ermitteln lassen. Auch solche Größenordnungen kann die Meta-Analyse liefern. Die Effektstärken lassen sich ebenfalls als Korrelationen ermitteln, aus denen auf eine prozentuale Veränderung der Zielvariable, z. B. der Leistungsfähigkeit, in Abhängigkeit der Steuerungsgröße geschlossen werden kann [18]. Ein solches Ergebnis könnte wiederum für eine Simulationssoftware zur Auslegung von Gebäudekomponenten genutzt werden. Neben den o. g. zahlreichen Vorzügen einer Meta-Analyse sind jedoch auch Nachteile bzw. problematische Aspekte zu nennen, die einer soliden Aussage der Analyse entgegenstehen können (vgl. [20], [24]). Um das Instrument der Meta-Analyse sachgerecht einzusetzen, ist es daher wichtig, diese kritischen Aspekte zu kennen und angemessen damit umzugehen. Im Folgenden werden die drei typischsten dargestellt. Zum Einen ist kritisch, wenn innerhalb einer MetaAnalyse sehr unterschiedliche bzw. möglicherweise auch zu unterschiedliche methodische Ansätze verglichen werden und somit die Aussage aus der Analyse nur begrenzt wertvoll ist. Diese Problematik kann nur durch eine sorgfältige und transparente Auswahl der Studien kontrolliert und dadurch minimiert werden. Zum Zweiten wird ebenfalls oft kritisiert, dass Studien unabhängig von ihrer Qualität in die Analyse eingeschlossen werden und somit auch Studien von minderer Qualität (z. B. zu kleine Anzahl an Versuchspersonen oder zu große Schwankung der Temperatur innerhalb einer Bedingung) berücksichtigt werden, was wiederum die Aussagekraft der Meta-Analyse schmälert. Dies kann entstehen, wenn Studien unreflektiert übernommen werden. Wenn jedoch die Qualität der Studien zusätzlich miterfaßt wird, kann auf dieser Grundlage eine differenzierte Aussage getroffen und die fraglichen Studien wahlweise ein- oder ausgeschlossen werden. Einen dritten Kritikpunkt stellt die möglicherweise nur augenscheinliche Objektivität einer Meta-Analyse dar. Im Rahmen einer Meta-Analyse ließe sich z. B. auch untersuchen, ob der Einfluss der Temperatur in Abhängigkeit von der Aufgabenschwierigkeit unterschiedlich stark ist. Dazu sind die in den Studien verwendeten Aufgaben unter anderem in einfache und komplexe Aufgaben zu unterteilen.

Diese Einteilung ist oftmals nicht leicht bzw. eindeutig zu treffen, da große Unterschiede im Verständnis darüber herrschen, was eine einfache und eine komplexe Aufgabe ausmacht und diese Einschätzung letztlich auf einer subjektiven Einschätzung der Autoren basiert. Dieser Subjektivität der Einschätzung lässt sich gut begegnen, indem mehrere Personen diese Einschätzungen vornehmen und die Ergebnisse hinsichtlich ihrer Übereinstimmung verglichen werden. Um eine valide Eingruppierung übernehmen zu können, ist dann erforderlich, dass nahezu alle Einteilungen zwischen den Bewertern übereinstimmen, also die so genannte Inter-Rater-Relabilität hoch ist.

4 Quantifizierung des Einflusses moderater Wärmebelastung Definition von moderater Wärmebelastung Bevor auf die Anwendbarkeit des meta-analytischen Ansatzes für eine Quantifizierung des Einflusses von moderater Wärmebelastung auf die Leistungsfähigkeit eingegangen wird und dessen Potential aufgezeigt wird, ist zunächst zu klären, was unter moderater Wärmebelastung zu verstehen ist, denn dieser Begriff ist oftmals nicht eindeutig definiert. Ausgangsbasis der Betrachtung bildet die menschliche Wärmebilanz. Bis zu einer Raumtemperatur von ca. 35 °C ist es für eine wenig bekleidete Person typischerweise möglich, sämtliche Mechanismen der Wärmeabgabe (Konvektion, Strahlung, Wärmeleitung und Verdunstung) an die Umgebung zu nutzen. Steigt die Raumtemperatur über diesen Wert, kann nur noch über Verdunstung Wärme abgegeben werden [25]. Es entsteht die Gefahr, dass unter diesen Bedingungen die Körpertemperatur mit der Zeit ansteigt, ohne dass dies durch thermoregulatorische Maßnahmen kompensiert werden kann [23]. Dauert diese Exposition über einen längeren Zeitraum an, besteht die Gefahr von gesundheitlichen Beeinträchtigungen durch Hitzschlag oder ähnliches [25], [26]. In der Arbeitsstättenrichtlinie, die unter anderem die Randbedingungen für Büroarbeitsplätze festlegt, ist dies bereits berücksichtigt, so dass oberhalb von 35 °C ein Raum nicht mehr als Arbeitsraum geeignet ist [9]. Daher wird der Bereich der moderaten Wärmebelastung zwischen dem Komfortbereich und dem Beginn der Hitzebelastung, die bei dem erwähnten Schwellenwert von 35 °C Raumtemperatur beginnt, definiert. Im nächsten Abschnitt sollen ausgehend von dieser Definition bisher durchgeführte Meta-Analysen dahingehend betrachtet werden, ob sie für den speziellen Bereich der moderaten Wärmebelastung eine Aussage treffen können (und nicht nur für Extrembereiche). Bereits durchgeführte Meta-Analysen Zur Analyse des Zusammenhangs zwischen Temperatur im Allgemeinen und der menschlichen Leistungsfähigkeit wurden bereits zwei Meta-Analysen durchgeführt [23], [27]. Beide berücksichtigten das gesamte Temperaturspektrum und seine Auswirkungen auf die menschliche Leistungsfähigkeit. Inkludiert waren sowohl Studien, die extreme Kälte untersuchten, als auch Studien unter militärischem Kontext in extremer Hitze. Beide konnten nachweisen, dass ein Abweichen von einer Komforttemperatur eine Verschlechterung verschiedener Arten von Leistungsfähigkeit zur Folge hat. Tabelle 1 zeigt die wesentlichen Daten der Analysen.

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Tabelle 1. Daten der bereits durchgefĂźhrten Meta-Analysen Table 1. Data of former meta-analysis Kriterium

Pilcher et al. [27]

Hancock et al. [23]

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WBGT

Moderat-warmer Bereich

21 bis 26 Â°C WBGT

25,7 bis 29,4 Â°C ET

Anzahl der Studien in diesem Bereich

EffektstĂ¤rke moderat-warmer Bereich

â&#x20AC;&#x201C;0,02

â&#x20AC;&#x201C;0,18

Verminderung der Leistung im Vergleich zu einer neutralen Temperatur

bis zu 14,88 %

ca. 11 %

untersuchte Moderatoren

â&#x20AC;&#x201C; â&#x20AC;&#x201C; â&#x20AC;&#x201C; â&#x20AC;&#x201C;

Akklimatisation Aufgabentyp Dauer der Aufgabenbearbeitung Expositionszeit

In beiden wurden KlimasummenmaĂ&#x;e verwendet, um beispielsweise auch den Einfluss der relativen Luftfeuchte normieren zu kĂśnnen. In der Analyse von Pilcher, Nadler und Busch erfolgten die statistischen Berechnungen auf Basis des WBGT-Index, der Ăźblicherweise zur Beurteilung von Hitzearbeit herangezogen wird und daher vor allem die Strahlungstemperatur und den Einfluss der relativen Luftfeuchte bewertet [28]. In der Arbeit von Hancock, Ross und Szalma wurde Bezug auf die Effektivtemperatur (ET) genommen. Dieses KlimasummenmaĂ&#x; kann sowohl im Komfort- als auch im Hitzearbeitsbereich verwendet werden und berĂźcksichtigt den Einfluss von Lufttemperatur, relativer Luftfeuchte und Luftgeschwindigkeit [29]. Durch die Verwendung dieser unterschiedlichen MaĂ&#x;e wird jedoch wiederum eine Vergleichbarkeit zwischen den Analysen und auch die Interpretation der Ergebnisse fĂźr den moderat-warmen Bereich erschwert, in welchem zudem die Datengrundlage mit sieben bzw. zwĂślf Studien eher gering ist. Nach dieser allgemeinen Aussage wurden darĂźber hinaus auch einige Moderatorvariablen untersucht. Bild 2 zeigt die Ergebnisse zur Expositionszeit aus der Analyse von Hancock, Ross und Szalma. Dabei ist zu sehen, dass mit zunehmender Expositionszeit und steigenden Raumtemperaturen die EffektstĂ¤rke negativ zunimmt. Betrachtet man

Bild 2. Zeitlicher Einfluss von WĂ¤rme- oder KĂ¤ltebelastung auf die menschliche LeistungsfĂ¤higkeit [23] Fig. 2. Temporal influence of heat or cold stress on human performance [23]

Akklimatisation Aufgabentyp Expositionszeit QuantitĂ¤t und QualitĂ¤t der Leistung

die Studien mit einer Expositionszeit von bis zu 3 Stunden, betrĂ¤gt die EffektstĂ¤rke â&#x20AC;&#x201C;0,76. Hier liegt gemĂ¤Ă&#x; der Einordnung von Cohen bereits ein groĂ&#x;er Effekt vor. Dieses Ergebnis bezieht sich dabei sowohl auf warme oder heiĂ&#x;e Umgebungstemperaturen als auch auf kalte Umgebungstemperaturen und bedeutet, dass ein Abweichen von einer Neutraltemperatur einen groĂ&#x;en Einfluss auf die LeistungsfĂ¤higkeit des in diesem Klima arbeitenden Menschen hat. Ein in gewisser Weise Ăźberraschendes Ergebnis stellt dagegen die EffektstĂ¤rke fĂźr Studien mit Ăźber 3 Stunden Expositionszeit dar, denn hier liegt hĂśchstens ein kleiner negativer Effekt vor. Das heiĂ&#x;t, dass Teilnehmer, die mehr als drei Stunden in einer von einer Neutraltemperatur abweichenden Temperaturbedingung verbringen, weit weniger negativ beeinflusst sind. als jene mit kĂźrzerer Expositionsdauer. In dieser Kategorie sind allerdings nur 8 Studien inbegriffen. Aus den vorgestellten Ergebnissen lassen sich Korrelationen berechnen, die wiederum einen RĂźckschluss auf die prozentuale LeistungsverĂ¤nderung unter der jeweiligen Bedingung zulassen und die dann fĂźr eine GebĂ¤udesimulation nutzbar wĂ¤ren. So kĂśnnten die RĂ¤ume in AbhĂ¤ngigkeit von der Nutzungsdauer individuell ausgelegt werden. Wie erwĂ¤hnt, war die Datengrundlage speziell im moderatwarmen Bereich jedoch sehr gering, so dass die dort vorhandenen Studien nicht separat nach Expositionszeit ausgewertet werden konnten. Daher kann fĂźr diesen Bereich noch keine verlĂ¤ssliche Aussage, ob ein zeitlicher Einfluss vorhanden ist, abgeleitet werden. Auch hinsichtlich der Art der Leistungserbringung, also der Frage, ob es darauf ankommt, mĂśglichst schnell zu arbeiten oder mĂśglichst wenig Fehler zu machen oder auch beides, kann die Temperatur sich unterschiedlich auswirken, wie Bild 3 zeigt. Hier ist zu sehen, dass bei einem Abweichen von der Neutraltemperatur die Schnelligkeit der Aufgabenbearbeitung viel stĂ¤rker beeintrĂ¤chtigt ist als die Genauigkeit. Das heiĂ&#x;t, dass die Teilnehmer in einer kalten oder warmen Umgebung sehr viel langsamer arbeiten als in einer neutralen Umgebung. Hier liegt gemĂ¤Ă&#x; der Definition von Cohen mit einer EffektstĂ¤rke von â&#x20AC;&#x201C;0,45 ein mittlerer Effekt vor. Gleichzeitig machen sie auch mehr Fehler, aber in einem geringeren AusmaĂ&#x;. Die EffektstĂ¤rke betrĂ¤gt diesbezĂźglich â&#x20AC;&#x201C;0,28, was einen kleinen bis mittleren Effekt darstellt. Auch hier lĂ¤sst sich aufgrund der geringen Datengrundlage der moderat-warme Bereich der Raumtemperatur nicht sepa-

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ausreichend? Als Beispiel lĂ¤sst sich hier die geringe Datengrundlage bei Langzeitexpositionen anfĂźhren. â&#x20AC;&#x201C; LĂ¤sst sich ein zugrundeliegender Mechanismus identifizieren, der auch bisher widersprĂźchlich erscheinende Forschungsergebnisse erklĂ¤ren kann?

Bild 3. Einfluss von WĂ¤rme- oder KĂ¤ltebelastung auf die Art der Leistungserbringung [23] Fig. 3. Influence of heat or cold stress on the type of performance measure [23]

rat nach Schnelligkeit und Genauigkeit der Aufgabenbearbeitung auswerten. Aufgrund der geringen Datengrundlage lĂ¤sst sich aus dieser vorgestellten Analyse wie auch aus der Analyse von Pilcher, Nadler und Busch also noch nicht herauslesen, wie sich die LeistungsfĂ¤higkeit unter bestimmten Randbedingungen, bspw. unter der zeitlichen Exposition oder der Art der Leistungserbringung, bei moderater WĂ¤rmebelastung verhĂ¤lt. Auch Korrelationen, aus denen RĂźckschlĂźsse auf die prozentuale VerĂ¤nderung der Leistung mĂśglich wĂ¤ren, sind in den Analysen nicht angegeben. Dies bedeutet, dass aus den beiden vorliegenden Meta-Analysen noch kein Zusammenhang abgeleitet werden kann, der fĂźr die Einbindung in eine GebĂ¤udesimulation, wie sie zur Planung von BĂźrogebĂ¤uden benĂśtigt wird, geeignet ist. Schlussendlich lĂ¤sst sich daraus ableiten, dass die Methode einer Meta-Analyse vielversprechende Aussagen fĂźr die Integration in eine GebĂ¤udesimulation liefern kann, der moderat-warme Temperaturbereich aber bislang noch nicht hinreichend genau analysiert wurde. Aus diesem Grund wurde am Lehrstuhl fĂźr Bauphysik im Rahmen des Promotionskollegs â&#x20AC;&#x17E;Menschen in RĂ¤umenâ&#x20AC;&#x153; damit begonnen, eine solche Analyse fĂźr den Bereich der moderaten-WĂ¤rmebelastung durchzufĂźhren. Notwendigkeit einer weiteren Meta-Analyse Mithilfe einer solchen weiteren Meta-Analyse sind vor allem folgende wichtige Fragen zu klĂ¤ren: â&#x20AC;&#x201C; Ist tatsĂ¤chlich ein Einfluss der Raumtemperatur im moderat-warmen Bereich auf die Arbeitsleistung von BĂźroangestellten vorhanden? Wenn dieser gegeben ist, wie groĂ&#x; ist die Auswirkung? â&#x20AC;&#x201C; Hat eine moderat-warme Raumtemperatur einen positiven oder einen negativen Einfluss? â&#x20AC;&#x201C; Ist dieser Einfluss linear, d. h. nimmt die Leistung mit steigender Temperatur kontinuierlich ab oder gibt es einen kritischen Punkt, ab dem ein starker Abfall festzustellen ist? â&#x20AC;&#x201C; Gibt es weitere EinflussgrĂśĂ&#x;en, die die Auswirkungen auf die LeistungsfĂ¤higkeit verstĂ¤rken oder abmindern? Als Beispiel sei der Bekleidungsgrad oder die Art der zu bearbeitenden Aufgabe genannt. â&#x20AC;&#x201C; Gibt es einen Zusammenhang zwischen LeistungsfĂ¤higkeit und Behaglichkeit? â&#x20AC;&#x201C; Welche speziellen ZusammenhĂ¤nge sind noch nicht ausreichend erforscht? Wo ist die Datengrundlage noch nicht

Da sich mit Hilfe einer Meta-Analyse sowohl eine globale Aussage Ăźber die Auswirkung der Raumtemperatur auf die Arbeitsleistung erstellen lĂ¤sst als auch detailliertere Aussagen mĂśglich sind, wie z. B. nach der Art der zu bearbeitenden Aufgabe getrennte Aussagen, kĂśnnen die Erkenntnisse aus dieser Analyse sowohl in eine erste Grobplanung eines GebĂ¤udes einflieĂ&#x;en als auch in der Detailplanung fĂźr eine bestimmte Nutzungsart, z. B. fĂźr ein Call-Center, eine wertvolle Basis sein.

5 Zusammenfassung Das thermische Raumklima Ăźbt einen wesentlichen Einfluss auf Gesundheit, Wohlbefinden und LeistungsfĂ¤higkeit des Menschen aus. Eine auf der LeistungsfĂ¤higkeit der Nutzer basierende Auslegung von GebĂ¤uden und ihren Komponenten ist prinzipiell mĂśglich. Dazu wurden bisher bekannte ZusammenhĂ¤nge herangezogen, die aufgrund ihrer Datenbasis jedoch nur eine erste Orientierung und keine MĂśglichkeit der Differenzierung bieten. Daher ist eine andere methodische Herangehensweise erforderlich; als eine solche wurde das Verfahren der Meta-Analyse als wirkungsvolles Instrument zur Quantifizierung der Auswirkungen von moderater WĂ¤rmebelastung auf die menschliche LeistungsfĂ¤higkeit vorgestellt. Die Methodik der Meta-Analyse lĂ¤sst zum einen eine globale Betrachtung des Zusammenhangs zu, bietet aber zum anderen die MĂśglichkeit einer differenzierteren Untersuchung, z. B. hinsichtlich des Aufgabenbezugs, so dass auch fĂźr spezielle Planungsfragen ein Zusammenhang ermittelt werden kann. Durch die statistische Aggregation vieler einzelner Studien stellt sie die untersuchte Fragestellung auf eine breite Stichprobenbasis und lĂ¤sst verlĂ¤sslichere Aussagen Ăźber das Vorhandensein und die GrĂśĂ&#x;e eines Effekts zu als einzelne Studien. Bisherige MetaAnalysen untersuchten den Einfluss der Temperatur Ăźber alle Temperaturbereiche, d. h. sowohl extrem kalte und extrem warme, als auch moderat-kalte und moderat-warme Bedingungen waren in den Analysen inbegriffen. Leider standen fĂźr den letzteren Temperaturbereich zum Zeitpunkt der DurchfĂźhrung noch nicht ausreichend viele Studien zur VerfĂźgung, so dass sich noch keine differenzierte Analyse nach bestimmten Moderatoren durchfĂźhren lieĂ&#x; und somit noch keine gesicherte Aussage Ăźber die Auswirkungen moderater WĂ¤rmebelastung auf den Menschen ableiten lieĂ&#x;. Die in diesem Beitrag dargestellten ZusammenhĂ¤nge zwischen Raumtemperatur und LeistungsfĂ¤higkeit haben dabei fĂźr Anwendungen im Bereich der thermisch-energetischen GebĂ¤udesimulation eine Bedeutung. War es bislang etwa Ăźblich, die Nutzerakzeptanz des Raumklimas durch Auswerten von Simulationsergebnissen bzgl. der thermischen Behaglichkeit nach ISO 7730 vorzunehmen, vgl. [30], kĂśnnen zukĂźnftig mit Kenntnis der ZusammenhĂ¤nge zwischen Temperatur und menschlicher LeistungsfĂ¤higkeit auch mĂśgliche raumklimabedingte LeistungseinbuĂ&#x;en thematisiert und ein GebĂ¤udeentwurf entsprechend optimiert werden.

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6 Ausblick Um den Einfluss von moderat-warmen Raumtemperaturen auf die menschliche Leistungsfähigkeit im Speziellen bei Büroarbeit zu analysieren, ist eine separate Meta-Analyse für diesen Bereich erforderlich. Die Autoren führen eine solche im Rahmen des interdisziplinären Promotionskollegs „Menschen in Räumen“ (www.people-inside.de) derzeit durch und wollen damit darüber hinaus ursächliche Mechanismen, die für eine Leistungsveränderung bei moderater Wärmebelastung verantwortlich sein können, aufdecken und, wenn möglich, auch Widersprüche aus einzelnen Untersuchungen aufklären. Literatur [1] International Facility Management Association: Temperature Wars: Savings vs. Comfort. Houston: International Facility Management Association 2009. [2] Patterson, M. J., Taylor, N. A. S., Amos, D.: Physical work and cognitive function during acute heat exposure before and after heat acclimization (DSTO-TR-0683). Melbourne, Australia: Defence Science and Technology Organisation, Aeronautical and Maritime Research Laboratory 1998. [3] Enander, A. E.: Effects of moderate cold on performance of psychomotor and cognitive tasks. Ergonomics 30 (1987), pp. 1431–1445. [4] Hancock, P. A., Vasmatzidis, I.: Effects of heat stress on cognitive performance: the current state of knowledge. International Journal of Hyperthermia 19 (2003), pp. 355–372. [5] Bundesrepublik Deutschland: Arbeitsstättenrichtlinie Raumtemperatur ASR 6 idF v. 08. 05. 2001. [6] LG Bielefeld 2003.Urteil vom 16. 04. 2003. AZ: 3 O 411/01. [7] OLG Rostock 2000. Urteil vom 29. 12. 2000, AZ: 3 U 83/98. [8] DIN EN 15251:2007 Eingangsparameter für das Raumklima zur Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden – Raumluftqualität, Temperatur, Licht und Akustik. Berlin: Beuth Verlag 2007. [9] Bundesrepublik Deutschland: Technische Regeln für Arbeitsstätten: Raumtemperatur. ASR A3.5. idF v. Juni 2010. [10] Urlaub, S., Hellwig, R. T., van Treeck, C., Sedlbauer, K.: Möglichkeiten und Grenzen bei der Modellierung von Einflussfaktoren auf die menschliche Leistungsfähigkeit. Bauphysik 32 (2010), H. 6, S. 373–379. [11] Rashid, M., Zimring, C.: A review of the empirical literature on the relationships between indoor environment and stress in health care and office settings. Environment and Behavior 40 (2008), pp. 151–190. [12] Bell, P. A.: Physiological comfort, performance and social effects of heat stress. Journal of Social Issues 37 (1981), pp. 71– 94. [13] Seppänen, O., Fisk, W. J., Lei, Q. H.: Room temperature and productivity in office work. Proceedings of Healthy Buildings Conference, Lisbon, 2006. [14] Vitali, L.: Mentale Leistung bei Hitzestress. Dissertation Universität Zürich, Medizinische Fakultät, 2000. [15] Wyon, D. P.: The effects of moderate heat stress on the mental performance of children. SIB Document D8:1969, Statens institute för byggnadsforskning, 1969. [16] Niemela, R., Hannula, M., Rautio, S., Reijula, K., Railio, J.: The effect of air temperature on labour productivity in call centres–a case study. Energy and Buildings 34 (2002), pp. 759– 764. [17] Plokker, W., Wijsman, A.: Productivity and sick leave integrated into building performance simulation. Proceedings of

the 11th International IBPSA Conference. Glasgow, July 27–30, 2009. [18] Gifford, R., Hine, D. W., Veitch, J. A.: Meta-Analysis for environment-behavior and design research, illuminated with a study of lighting level effects on office task performance. In: Moore, G. T., Marans, R. W. (Eds.): Advances in environment, behavior, and design (Vol. 4). New York: Plenum, 1997. [19] Glass, G. V.: Primary, secondary and meta-analysis of research. Educational Research 5 (1976), pp. 3–8. [20] DeCoster, J.: Meta-Analysis Notes. Aufgerufen am 06. 09. 2011 von http://www.stat-help.com. [21] Cohen, J.: Statistical Power Analysis for the Behavioral Sciences. Hillsdale: Lawrence Erlbaum Associates 1988. [22] Hunter, J. E., Schmidt, F. L.: Methods of meta-analysis. Thousand Oaks, London, New Delhi: Sage, 2004. [23] Hancock, P. A., Ross, J. M., Szalma, J. L.: A meta-analysis of performance response under thermal stressors. Human Factors 49 (2007), pp. 851–877. [24] Bortz, J., Döring, N.: Metaanalyse. In: Bortz, J., Döring, N. (Hrsg.): Forschungsmethoden und Evaluation für Humanund Sozialwissenschaftler. Berlin, Heidelberg: Springer Medizin Verlag, 2006. [25] Aschoff, J.: Thermoregulation. In: Aschoff, G., Günther, B., Kramer, K. (Hrsg.): Energiehaushalt und Thermoregulation. München, Berlin, Wien: Verlag Urban & Schwarzenberg, 1971. [26] Hancock, P. A.: Task categorization and the limits of human performance in extreme heat. Aviation, Space and Environmental Medicine 53 (1982), pp. 778–784. [27] Pilcher, J. J., Nadler, E., Busch, C.: Effects of hot and cold temperature exposure: a meta-analytic review. Ergonomics 45 (2002), pp. 682–698. [28] DIN EN 27243:1993-12 Ermittlung der Wärmebelastung des arbeitenden Menschen mit dem WBGT-Index. Berlin: Beuth Verlag, 1993. [29] Brief, R. S., Confer, R. G.: Comparison of heat stress indices. American Industrial Hygiene Association Journal 32 (1971), pp. 11–16. [30] van Treeck, Ch.: Introduction into Building Performance Simulation, Habilitation Thesis, Technische Universität München, 2010.

Autoren dieses Beitrages: Dipl.-Wirt.-Ing. Susanne Urlaub, Doktorandin im Promotionskolleg „Menschen in Räumen“ und wissenschaftliche Mitarbeiterin am Lehrstuhl für Bauphysik der Universität Stuttgart, Pfaffenwaldring 7, 70569 Stuttgart Prof. Dr. rer. nat. habil. Lioba Werth, Inhaberin des Lehrstuhls für Wirtschafts- und Organisationspsychologie, Universität Hohenheim, Wollgrasweg 23, 70569 Stuttgart, Leiterin des Promotionskollegs „Menschen in Räumen“ Dr. rer. nat. Dipl.-Psych. Anna Steidle, wissenschaftliche Mitarbeiterin im Promotionskolleg „Menschen in Räumen“, Lehrstuhl für Bauphysik, Universität Stuttgart und Lehrstuhl für Wirtschafts- und Organisationspsychologie, Universität Hohenheim Prof. Dr.-Ing. habil. Christoph van Treeck, Inhaber des Lehrstuhls für Energieffizientes Bauen E3D, RWTH Aachen, Mathieustr. 30, 52074 Aachen Prof. Dr.-Ing. Dipl.-Phys. Klaus Sedlbauer, Ordinarius am Lehrstuhl für Bauphysik, Universität Stuttgart und Institutsleiter des Fraunhofer Instituts für Bauphysik, Fraunhoferstr. 10, 83626 Valley, Leiter des Promotionskollegs „Menschen in Räumen“

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Fachthemen Anne Paepcke Andreas Nicolai

DOI: 10.1002/bapi.201310041

Alternating Direction Implicit-Methoden für die Bauteilsimulation: Chancen und Herausforderungen Die Simulation komplexer baukonstruktiver Details stellt hohe Anforderungen an numerische Lösungsverfahren. In dem Artikel wird sich auf das Alternating Direction Implicit (ADI)-Verfahren als Alternative zum klassischen Impliziten Euler-Verfahren konzentriert. Neben der direkten Anwendung wird eine Block-Variante eingeführt und mit zwei verschiedenen Lösungsstrategien kombiniert: als ADI-Zeitschrittverfahren und als ADI-Vorkonditionierer für ein Krylov-Unterraum-Verfahren innerhalb einer impliziten Euler-Zeitschrittintegration. Die numerischen Verfahren werden an zwei repräsentativen Beispielen getestet: der Trocknungsprozess einer Ziegelwand und ein Wärmebrückenproblem. Die Ergebnisse geben Aufschluss über die Anwendbarkeit der numerischen Methoden auf hochgradig nichtlineare Problemstellungen unter dem Einfluss unstetiger Materialeigenschaften. Chances and challenges of using Alternating Direction Implicit (ADI) methods for heat and moisture transport simulation. The simulation of complex details of building constructions imposes high demands on the numerical solution method. The article focuses on the Alternating Direction Implicit (ADI) method. We introduce the direct solution technique and a block variant of this method and combine it with different numerical strategies: an ADI time stepping procedure and an ADI preconditioned Krylov subspace method combined with an implicit Euler time integration. In order to check capability of the different numerical methods we design two representative examples: the drying of a brick wall and a thermal bridge simulation. The results give an indication about the applicability of the numerical methods to highly nonlinear problems combined with discontinuous material properties.

1 Einleitung Im Feld der Bauteilsimulation ist die Bild möglichst detailgetreuer konstruktiver Details ein häufiger Anwendungsfall. Dies führt zu raum- und zeitabhängigen Problemen hoher Komplexität. Die Entwicklung leistungsfähiger numerischer Lösungsmethoden, welche akzeptable Rechenzeiten bei genügender Lösungsgenauigkeit garantieren können, stellt daher nach wie vor ein aktuelles Forschungsfeld dar. Grundlage der vorliegenden Bauteilsimulationen bilden die kontinuumsphysikalischen Gleichungen nach Grunewald [7] und Nicolai [12]. Das Material wird von beiden Autoren als poröses Medium aufgefasst, welches sowohl Flüssigwasser- und Dampftransport als auch den daran ge-

bundenen Wärmetransport durch den Porenkörper zulässt. Die Bilanzen für den Wärme- und Feuchtetransport berücksichtigen die gekoppelten Masse- und Enthalpiebilanzen für Flüssigwasser, Wasserdampf und Luft:

(

)

∂ E ∂ E ρ =− j + jE + σE ∂t ∂x k k,conv k,diff ∂ ∂ u=− ∂t ∂x k

(1)

  E E  q k + ∑ hE jk,conv + jk,diff    E

(

)

(vgl. [12], Kap. 3.2). Die Änderungen der Massendichte der Komponente ρE wird hervorgerufen durch konvektive E und Transport durch Stoffdiffusion Masseströme jk,conv E jk,diff, sowie Quellen und Senken σE, zum Beispiel bei Kondensation von Wasserdampf. Die gesamte innere Energiedichte des Porenkörpers u steht durch die thermische Speichermasse des Porenkörpers ρmcm T mit der Temperatur T des homogenisierten Materials in Verbindung:

(

)

E u = ρm cm T T − Tref + ∑ ρ h E

(3)

Sie ändert sich durch konvektiven Transport der spezifischen Enthalpie hE aller Komponenten und Wärmestrom durch Wärmeleitung q k = −λ

∂ T. ∂x k

(4)

Hierbei bezeichnet λ die zusammengesetzte Wärmeleitfähigkeit aus Porenkörper, Wasser- und Luftmengen innerhalb des Porensystems. Diese Gleichungen sind aufgrund der Temperaturabhängigkeit von Verdunstung und Kondensation, sowie dem Einfluss des Feuchtegehalt in den Poren auf das thermische Verhalten des gesamten porösen Körpers hochgradig nichtlinear miteinander gekoppelt. Zudem können die Materialeigenschaften der einzelnen Bauteilkomponenten stark variieren. Die Anforderungen an Stabilität und Rechengenauigkeit schränkt daher die Auswahl an möglichen numerischen Lösungsverfahren stark ein.

2 Alternating Direction Implicit 2.1 Klassisches Verfahren Die Alternating Direction Implicit (ADI) Methode wurde parallel von Peaceman und Racheford [13] und Douglas [4] als Zeitintegrationsmethode für lineare partielle Differen-

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(2)

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tialgleichungen eingeführt. Für ein allgemeines zweidimensionales Problem der Form ∂ v = Av ∂t

(5)

führt die Zeitdiskretisierung durch ein Einschrittverfahren mit Zeitschrittweite ∆t zu einer Beziehung zwischen der bekannten Lösung des alten Zeitschrittes vn und der unbekannten Lösung des neuen Zeitschrittes vn+1. Beim expliziten Einschrittverfahren ergibt sich: v n+1 − v n = ∆tAv n

(6)

Ausführungen von Nicolai gehen die Gesamtfeuchtemassendichte als Summe von Flüssigwasser (Index w) und Wasserdampf (Index v), sowie die Energiedichte als Lösungsvariablen in die Simulation ein:   ρv+w v= m m   ρ c T T − Tref + ρw h w + ρv h v 

(

(10)

)

Das Richtungssplitting wird auf einen Vektor von Operatoren angewendet, also fx = −

und beim impliziten Einschrittverfahren:

v v   jw x,conv + jx,conv + jx,diff ∂   ∂x  q x + jw h w + jvx,conv + jvx,diff h v  x,conv  

(11)

v v   jw y,conv + jy,conv + jy,diff ∂   v v ∂y  q y + jw  y,conv h w + jy,conv + jy,diff h v  

(12)

(

)

und v n+1 − v n = ∆tAv n+1 .

(7)

Die unbeschränkte zeitschrittunabhängige Stabilität ist nur für das implizite Einschrittverfahren gegeben. Allerdings ist die Lösung nach der Unbekannten vn+1 um Wesentliches komplexer. Das ADI nach Peaceman-Racheford liefert eine Zerlegung des Operators A in zwei richtungsabhängige Komponenten Ax und Ay, die durch zwei miteinander kombinierte explizite und implizite Lösungsschritte verbunden sind: v

1 2

− vn =

v n+1 −

1 2

1  n+ ∆t  Ax v 2 + Ay vn   2   1  n+ ∆t  = A x v 2 + A y v n+1   2  

(8)

(9)

Hierbei kann der Operator Ax mit den Ableitungen –∂/∂x(•x) und entsprechend Operator Ay mit –∂/∂y(•y) identifiziert werden. In jedem der beiden Teilschritte wird demnach die Lösung einer eindimensionalen Differentialgleichung verlangt. Die Einfachheit dieses Rechenschrittes macht die Effizienz der ADI-Methode aus und begründet ihre Popularität. Des Weiteren wurde im Gegensatz zum expliziten Einschrittverfahren die unbeschränkte Stabilität für die Peaceman-Racheford-Methode bewiesen, vgl. [1]. Das sichert jedoch nicht die genügende numerische Genauigkeit der erzeugten Lösung, vgl. [16]. Die Gegenwart von Splitting-Fehlern erzeugt beispielsweise Schwierigkeiten bei der Anwendung der Methode auf gemischte Ableitungen, vgl. [5], [9]. Verstärkten Einsatz erlangten modifizierte ADI-Methoden im Bereich der Strömung durch poröse Medien (z. B. [8], [2]).

2.2 Implementierung Die Lösung der Wärme- und Feuchtetransportgleichungen innerhalb eines porösen Bauteiles erfordert die Abstraktion eines nichtlinearen gekoppelten Differentialgleichungssystems auf die vorgestellten Zeitintegrationsmethoden. Die Analyse beschränkt sich auf das implizite Euler-Verfahren und das ADI-Verfahren. Die Wärme- und Feuchtetransportterme sind hochgradig nichtlinear von den gekoppelten Lösungsgrößen abhängig. Daher wird aus der Sicht der numerischen Stabilität ein Splitting der einzelnen Transportgleichungen als ungünstig gewertet. Die Block-Implementierung fasst die Variable v als Vektor von Massendichten und Energiedichten auf. In den

fy = −

(

)

Als nichtlineares Lösungsverfahren wird ein modifiziertes Newton-Raphson-Verfahren gewählt. Diese Methode löst nichtlineare Gleichungen des Typs F n+1 := F(v n+1 ) = 0.

(13)

Für die implizite Euler-Integrationsmethode ergibt sich der nichtlineare Ausdruck:

(

F n+1 = v n+1 − v n − ∆t fxn+1 + fyn+1

)

(14)

Die modifizierte Newton-Raphson-Methode erzeugt nun als Ersatz für die nichtlineare Gleichung eine Sequenz linearer Differentialgleichungssysteme, die räumlich durch eine Finite-Volumen-Methode diskretisiert und durch ein Gauß-Verfahren mit kombinierter LU-Faktorisierung gelöst werden. Dieser Lösungsschritt ist beim impliziten EulerVerfahren sehr aufwendig. Im Gegensatz zum klassischen Newton-Raphson-Verfahren wird daher beim modifizierten Verfahren die Aktualisierung der Lösungsmatrizen nur im Bedarfsfall erzwungen. Für das ADI-Verfahren ergibt sich eine Folge nichtlinearer Gleichungen: F

1 2

− vn −

F n+1 = v n+1 − v

1 2

1 ∆t  n+ 2 n  fx + fy   2  

−

1 ∆t  n+ 2 n+1  fx + fy  .  2  

(15)

(16)

Die Folge eindimensionaler Probleme, die das ADI-Verfahren erzeugt, erfordert nur einen geringen Rechenaufwand. Allerdings ist die Sicherung der numerischen Genauigkeit für die errechnete Lösung notwendig. Zu diesem Zweck ist eine Fehlerkontrolle Teil des Zeitintegrationsverfahrens. Auf zu große numerische Ungenauigkeit wird mit einer Verkleinerung der aktuellen Zeitschrittweite ∆t reagiert, vgl. [14].

2.3 ADI-Vorkonditionierer Eine Kombination der Vorteile von implizitem Euler-Verfahren und ADI-Verfahren führt zur Idee der ADI-Vorkonditionierung. Das Erstellen und Lösen der linearen Gleichungssysteme durch das Gauß-Verfahren benötigt bei der

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impliziten Zeitschrittintegration eine hohe Rechenkapazität. Aus diesem Grund haben sich seit geraumer Zeit iterative Lösungsmethoden für schwachbesetzte lineare Gleichungssysteme etabliert (vgl. Meister [11], dort Abschn. 4.3, Saad [15]). Ein bekannter Vertreter sind die Krylov-Unterraum-Methoden. Diese Verfahren sind als numerisch robuste Projektionsmethoden bekannt und erzeugen eine Näherungslösung des linearen Gleichungssystems. Die Konvergenzgeschwindigkeit der Krylov-UnterraumMethoden ist bei alleiniger Anwendung in der Regel allerdings ungenügend. Deshalb werden Vorkonditionierungstechniken eingesetzt, welche das Gleichungssystem modifizieren und die Konvergenz der Verfahren beschleunigen sollen. Dabei ist der Vorkonditionierer meist eine Approximation der Gleichungssystemmatrix, die leicht invertiert werden kann. Der Einsatz von ADI-Methoden als SplittingVorkonditionierer wird daher in der aktuellen Literatur vorgeschlagen, z. B. [10], [6], [3]. Konkret erzeugt das Newton-Raphson-Verfahren für das Implizite Euler-Verfahren eine Folge linearer Probleme mit Iterationsindex m:

(

))

(17)

     

(18)

m ∆v m+1 0 = F n+1,m + I − ∆t A m x + Ay  Jacobi Matrix 

bei  ∂ m 1 ∂ m  ∂ρV+W fx,1 ∂u ∂T fx,1 ∂T  Am x = ∂ m 1 ∂ m  V+W fx,2 ∂u ∂T fx,2  ∂ρ ∂T und

 ∂ m 1 ∂ m  ∂ρV+W fy,1 ∂u ∂T fy,1 ∂T  Am y = ∂ 1 ∂ m m  V+W fy,2 ∂u ∂T fy,2  ∂ρ ∂T

  .   

(19)

Diese Operatoren werden durch die räumliche Diskretisierung in ein lineares Gleichungssystem mit den Blockmatrin+1,m m und dem zen Am x,h und A y,h, dem Funktionsvektor Fh m+1 Lösungsvektor ∆vh überführt:

(

))

(

m m+1 0 = Fhn+1,m + I − ∆t A m x,h + A y,h ∆v h

(20)

Das Konzept der Vorkonditionierung sieht eine Umformung des Gleichungssystems (17) vor, so dass die originale Lösung erhalten bleibt:

(

))

n+1,m m PL I − ∆t A m x,h + A y,h PR w h = −PL Fh

(21)

Dabei ist PL ein linksseitiger und PR ein rechtsseitiger Vorkonditionierer, wh eine Substitution der Lösungsgröße mit PR w h = ∆v m+1 . h

(22)

Es wird deutlich, dass eine gute Approximation der Inverm sen von I – ∆t(Am x,h + A y,h) durch den linksseitigen Vorkonditionierer auf einen der Einheitsmatrix ähnlichen Operator führt. Die Inversion der durch Diskretisierung erhaltenen Matrix ist Aufgabe des Krylov-Unterraum-Verfahrens.

In Anlehnung an Farago [6], dort Abschn. 2.3.3 wird ein parametrisierter ADI-Vorkonditionierer eingesetzt. Anstelle der originalen Zerlegung findet das bereits vorgestellte räumliche Splitting Verwendung: PL−1 =

)(

(

1 m I − ω∆tA m x,h I − ω∆tA y,h ω

)

(23)

als einseitiger Vorkonditionierer oder 1  PL−1 = ω  I − ∆tA m x,h  ω 

(24)

1  PR−1 = ω  I − ∆tA m y,h  ω 

(25)

als beidseitiger Vorkonditionierer. Der freie Parameter ω ∈ (0, 0.5) ist Bestandteil des gewählten Verfahrens. Seine Bedeutung kann für die linksseitige Variante durch die Identität

(

m PL−1 = I − ∆t A m x,h + A y,h

)) +

 1 m +  − 1 I − ∆t 2ωA m x,h A y,h .  ω 

(26)

Splitting Fehler  erklärt werden. Der erste Term der rechten Seite entspricht der Jacobi-Matrix des Impliziten Euler-Verfahrens (17). Die Parametrisierung verschiebt numerische Fehler zwischen den letzten beiden Fehlertermen. Dabei umfasst (1/ω – 1)I m Fehler innerhalb der Zeitableitung und –∆t2ωAm x,hA y,h Fehler durch gemischte Ableitungen. Als Lösungsmethode für das vorkonditionierte Gleichungssystem wird aus der Klasse der Krylov-UnterraumMethoden das GMRES-Verfahren gewählt.

3 Numerische Tests 3.1 Fall I Trocknung einer Ziegelwand Als repräsentativer Simulationsfall wurde die Trocknung eines Ziegelwandstückes nachempfunden. Bei diesem Prozess sind aufgrund der Phasenumwandlung von Flüssigwasser zu Wasserdampf die nichtlinearen Wechselwirkungen zwischen Wärme- und Feuchtetransport stark ausgeprägt. Um einen zweidimensionalen Fall zu konstruieren, wurde ein Quadrat mit jeweils zwei Oberflächen versehen (Bild 1). Auf der Trocknungsseite (Wärmeleitung und Dampfdiffusion) wurde eine relative Luftfeuchte von 50 % angenommen und eine Temperatur von 35 °C. An den gegenüberliegenden Seiten wird lediglich Wärmeleitung berücksichtigt. Die Simulation startete mit einer Luftfeuchte von 100 % und einer Temperatur von 20 °C im Bauteil. Beobachtet wurde ein Zeitraum von zwei Tagen. Räumlich diskretisiert wurde das Wanddetail durch 100 × 100 FiniteVolumen-Elemente. Charakteristisch für den Trocknungsprozess ist die Ausbildung zweier Prozessphasen: in der ersten Phase verdunstet das Wasser an der Bauteiloberfläche und wird durch Kapillartransport vom Bauteilinneren an die Oberfläche befördert. Zu erkennen ist diese Prozessphase an einer durch Verdunstungskühlung abgesenkten Oberflächentemperatur und einer hohen Luftfeuchte an der Bauteiloberfläche (Bild 2). In der zweiten Prozessphase reißt der Kapillartransport ab, und die Verdunstung wandert ins Bauteil-

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Bild 3a. Temperatur [°C], Realzeit 9 h Fig. 3a. Temperture [°C], real time 9 h Bild 1. Konstruktion Ziegelwand Fig. 1. Construction Brick wall

Bild 2. Gemittelte Oberflächeneigenschaften, Trocknungsseite Fig. 2. Average surface properties, drying surface

Bild 3b. Temperatur [°C], Realzeit 10 h Fig. 3b. Temperature [°C], real time 10 h

innere. Dabei erhöht sich die Oberflächentemperatur, und der relative Feuchtegehalt nimmt ab. Interessant ist der Simulationsbereich zwischen der 9. und 10. Stunde, in welchem der Übergang zwischen beiden Prozessphasen stattfindet. Hier wirken Änderung der Feuchtetransportmechanismen, Phasenumwandlung und Temperatur besonders stark aufeinander ein. Das Temperaturfeld ändert sich abrupt (Bild 3). Diese Zusammenhänge sind verantwortlich für die hohen Simulationszeiten aller Verfahren (Tabelle 1). Nur

bei einer minimalen Zeitschrittweite von ∆tmin ≈ 2 s beim ADI und ∆tmin ≈ 10 s bei allen anderen Methoden, welche in dem kritischen Simulationsbereich gemessen wurde, kann die genügende Genauigkeit der Zeitintegration garantiert werden. Besonders nachteilig wirkt sich die Komplexität der physikalischen Zusammenhänge auf die Simulationsgeschwindigkeit des klassischen Impliziten Euler-Verfahrens aus. Die nichtlineare Kopplung aller Transportterme verlangt eine häufige Aktualisierung und LU-Faktorisierung der Lösungsmatrizen. Dieser Rechenschritt ist zeitaufwändig und schlägt sich in langen Simulationszeiten nieder. Das ADI-Verfahren wird ebenfalls auf eine geringe Zeitschrittweite zurückgeworfen. Da ein Zeitintegrationsschritt jedoch viel effektiver durchgeführt wird, sinkt der Rechenaufwand im Vergleich zum Impliziten Euler-Verfahren, obwohl die Genauigkeitsforderung deutlich kleinere Zeitschritte erzwingt. Die Simulationszeit fällt dramatisch. Wird die aufwändige direkte Lösung der Gleichungssysteme innerhalb des Impliziten Euler-Verfahrens durch

Tabelle 1. Simulationsverlauf Table 1. Simulation performance Methode Euler Implizit

Rechenzeit

∆tmin [s]

1,2 h

ADI

30 min

2,3

GMRES, ADI(0.5)-Vorkonditionierer

55 min

GMRES, ADI(0.07)-Vorkonditionierer

20 min

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das iterative GMRES-Verfahren ersetzt, so wird die Simulationsgeschwindigkeit gesteigert. Die Größe des Rechenzeitschritts entspricht bei Konvergenz des Verfahrens ungefähr dem des implizten Euler-Verfahrens. Die Variante mit ADI als Vorkonditionierer mit Standardparametrisierung (ω = 0.5) ist jedoch langsamer als das direkte ADI-Verfahren. Die Anforderungen an das ADI als guten Vorkonditionierer unterscheiden sich von denen an das direkte Zeitintegrationsverfahren. Daher ist ohne weiteres zu erwarten, dass die Variation des Parameters ω die Konvergenzrate des iterativen Gleichungssystemlösers maßgeblich beeinflusst. Obwohl der Wert ω = 0.5 dem optimalen Parameter des klassischen Peaceman-Racheford-ADI entspricht, liefert ω = 0.07 wesentlich bessere Simulationsgeschwindigkeiten. Dieses Ergebnis verdeutlicht ein wesentliches Merkmal der kombinierten Lösungsmethode: die numerische Stabilität innerhalb der Zeitintegration ist durch das überlagerte implizite Euler-Verfahren gesichert. Eine robuste Lösung der linearen Gleichungssysteme garantiert das Krylov-Unterraum-Verfahren. Folglich ist die Parametrisierung des ADI-Vorkonditionierers für die numerische Stabilität nur bedingt relevant und kann vielmehr zur Optimierung der Methode eingesetzt werden. Das ADI-Verfahren als direkte Zeitintegrationsmethode hingegen bewahrt nur für die Peaceman-RachefordVariante zeitschrittunabhängige Stabilität. Versuche einer alternativen Parametrisierung lieferten eine Verschlechterung der numerischen Genauigkeit und damit eine Verringerung der maximal möglichen Zeitschrittweite.

Bild 4. Konstruktion Wärmebrücke Fig. 4. Construction Thermal bridge

3.2 Fall II Wärmebrücke Ein klassisches lineares Problem mit inhomogenen Materialeigenschaften wurde als zweiter Anwendungsfall untersucht. Die Simulation einer Wärmebrücke ist gut geeignet, um die Problematik unstetiger Eigenschaften zu veranschaulichen. Gewählt wurde ein Detail einer Wand aus einem Beton- und Isolationsschichtaufbau, in die ein dünnes Aluminiumblech integriert ist (Bild 4). Betrachtet wurde ein rein thermisches Problem bei einer homogenen Starttemperatur von 10 °C. Die Außentemperatur wurde konstant bei 0 °C gehalten, die Innentemperatur bei 20 °C. Es wurden 6 Stunden simuliert, bis die Ausbildung eines stationären Temperaturprofils erfolgte. Es wurde eine räumliche Diskretisierung von ungefähr 100 × 100 Finite-Volumen-Elementen gewählt. Im Gegensatz zum vorangegangenen Fall wurde Gitter mit irregulären Elementbreiten verwendet, um die Materialgrenzen ausreichend genau aufzulösen. Für diesen Simulationstyp bildet das implizite EulerVerfahren mit LU-Faktorisierung und direktem Gleichungslösungsverfahren einen guten Kandidaten. Aufgrund der Linearität der Wärmetransportgleichung und ihrer Randbedingungen ist nur eine geringe Zahl von Matrizenassemblierungen erforderlich. Nach 11 Sekunden Simulationszeit wurde ein numerisch akkurates Ergebnis für die stationäre Lösung und die instationären Übergangszustände erzielt. Die Simulationsgeschwindigkeit des ADI-Verfahrens hingegen bricht aufgrund hoher numerischer Fehler und damit verbundenen geringen Zeitschrittweiten zusammen.

Bild 5. Temperatur [°C] und Wärmestrom, Realzeit 6 h Fig. 5. Temperature [°C] and heat flux, real time 6 h

Probleme der numerischen Genauigkeit können anhand des Verlaufes der Wärmestromdichten erklärt werden: das Aluminiumblech bildet den Träger der Wärmeleitung im Inneren des Materials und bewirkt aufgrund seiner Biegung eine starke Auslenkung der Wärmeströme. Speziell an den Grenzen der einzelnen Materialschichten bildet sich eine hohe Rotation der Wärmeströme aus. Diese Rotationsterme sind eng mit Mischableitungen verbunden und führen zu unkontrolliert großen numerischen Fehlern des ADI-Verfahrens, vgl. Paepcke et al. [14]. Für das GMRES-Verfahren erweist sich das ADI mit dem Standardparameter ω = 0.5 erwartungsgemäß als ungünstiger Vorkonditionierer. Das Krylov-Unterraumverfahren verbessert die erzeugten Simulationsergebnisse, konvergiert jedoch innerhalb der Grenze von 100 Iterationen nicht vollständig. Bei Konvergenzfehlern des GMRES-Verfahrens reagiert der Implizite Euler mit einer Reduktion der Zeitschrittweite. Daher wird die Zeitschrittgröße des regulären Impliziten Euler-Verfahrens nicht erreicht.

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Literatur

Tabelle 2. Simulationsverlauf Table 2. Simulation performance Methode Euler Implizit ADI GMRES, ADI(0.5)-Vorkonditionierer GMRES, ADI(0.001)-Vorkonditionierer

Rechenzeit

∆tmin [s]

11 s

290

1,6 h

0,12

23 min

36 s

290

Eine verbesserte Parametrisierung erhöht die Güte des ADI-Vorkonditionieres. Gl. (26) identifiziert den Fehm lerterm –∆t2ωAm x,hA y,h. Für die Wärmeleitungsgleichung ergeben Ay T = −

∂  ∂T  −λ ∂y  ∂y 

(27)

und AxAy T = −

∂  ∂2  ∂T   λ −λ   ∂x  ∂y∂x  ∂y  

(28)

Folglich wirkt ω direkt auf die Größenordnung der Approximationsfehler durch Mischableitungen und damit rotationsbehaftete Wärmeströme. Die Wahl von ω = 0.001 verbessert die Kondition der Lösungsmatrix entscheidend und führt zu einem ähnlichen Simulationsverlauf wie bei der klassischen Impliziten Euler-Verfahrensvariante.

4 Zusammenfassung Das Alternating-Direction-Implicit-Verfahren bietet gegenüber herkömmlichen Zeitintegrationsmethoden Vorteile bezüglich der Rechengeschwindigkeit und Stabilität bei homogenen Materialeigenschaften. Die Block-Implementierung erlaubt eine stabile Behandlung nichtlinearer Kopplungsterme, wie sie in den Wärme-Feuchtetransportgleichungen auftreten. Jedoch können starke Unstetigkeiten der Materialparameter bis zum Versagen dieser numerischen Methode führen. Daher ist das direkte ADI-Verfahren als universelle Methode in der Bauteilsimulation ungeeignet. Die Kombination einer Impliziten Euler-Zeitintegration mit Krylov-Unterraum-Verfahren zur Lösung der linearen Gleichungssysteme erlaubt die Verwendung von ADIVerfahren als Vorkonditionierer. Durch geeignete Parametrisierung kann sowohl im nichtlinearen Fall wie auch bei unstetigen Materialparametern eine hohe Simulationsgeschwindigkeit erzielt werden. Insbesondere für mehrdimensionale Probleme großer Dimension wird diese Strategie als äußerst erfolgversprechend gewertet. Die Bestimmung günstiger Parametersätze entscheidet jedoch essentiell über den Erfolg dieser Lösungsmethode. Die generelle Anwendbarkeit hängt davon ab, inwiefern eine automatisierte Bestimmung des Parameters ω, zum Beispiel durch Schätzung von Eigenwerten, unter vertretbarem Rechenaufwand möglich ist. Als alternative Strategie wird in der Literatur der Block-ADI-Vorkonditionierer für streifenförmige Gebiete höherer Elementbreite vorgeschlagen, z. B. [10].

[1] Craig, I. J. D., Sneyd, A. D.: An Alternating-Direction Implicit Scheme for Parabolic Equations with Mixed Derivatives. Computers & Mathematics with Applications 16 (1988), S. 341–350. [2] Celia, M. A., Pinder, G. F.: An Analysis of Alternating-Direction Methods for Parabolic Equations. Numerical Methods for Partial Differential Equations 1 (1985), S. 57–70. [3] Deghan, M., Molavi-Arabshahi, S. M.: Comparison of Preconditioning Techniques for Solving Linear Systems arising from the Fourth Order Approximation of the Three-Dimensional Elliptic equation. Applied Mathematics and Computation 184 (2007), S. 156–172. [4] Douglas Jr., J.: On the Numerical Integration ∂2u/∂x2 + ∂2u/∂y2 = ∂u/∂t by Implicit Methods. Journal of the Society for Industrial and Applied Mathematics 3 (1955), S. 42–65. [5] Douglas Jr., J., Gunn, J. E.: A General Formulation of Alternating Direction Methods. Numerische Mathematik 6 (1964), pp. 428–453. [6] Farago, I., Karatson, J.: Numerical Solution of Nonlinear Elliptic Problems Via Preconditioning Operators: Theory and Applications. New York: Nova Science Publishers 2002. [7] Grunewald, J.: Diffusiver und konvektiver Stoff- und Energietransport. Dissertation, Technische Universität Dresden 1997. [8] Hayes, L., Pinder, G. F., Celia, M. A.: Alternating-Direction Collocation for Rectangular Regions. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering 27 (1981), pp. 265–277. [9] McKee, S.: Alternating Direction Methods for Parabolic Equations in Two and Three Space Dimensions with Mixed Derivatives. The Computer Journal 13 (1970), pp. 81–86. [10] Ma, S., Saad, Y.: Block-ADI Preconditioners for Solving Sparse Non-Symmetric Linear Systems of Equations. Numerical Linear Algebra, pp. 165–178. W. de Gruyter, 1993. [11] Meister, A.: Numerik linearer Gleichungssysteme. Wiesbaden: Vieweg, 2008. [12] Nicolai, A.: Modeling and Numerical Simulation of Salt Transport and Phase Transitions in Unsaturated Porous Building Materials. Dissertation, TU Dresden, 2008. [13] Peaceman, D. W., Rachford, Jr. H. H.: The Numerical Solution of Parabolic and Elliptic Differential Equations. Journal of the Society for Industrial and Applied Mathematics 3 (1955), pp. 28–41. [14] Paepcke, A., Nicolai, A., Grunewald, J.: Application of ADI Splitting Methods to Two-Dimensional Building Envelope System Solvers. Proceedings of the 9th Nordic Symposium on Building Physics. Tampere, Finland 2011. [15] Saad, Y.: Iterative Methods for Sparse Linear Systems. Philadelphia: SIAM Society for Industrial and Applied Mathematics 2003. [16] Thibault, J.: Comparison of Nine Three-Dimensional Numerical Methods for the Solution of the Heat Diffusion Equation. Numerical Heat Transfer: An International Journal of Computation and Methodology 8 (1985), pp. 281–298.

Autoren dieses Beitrages: Dr.-Ing. Anne Paepcke, Dr.-Ing. Andreas Nicolai, Beide: Institut für Bauklimatik, Fakultät Architektur, TU Dresden, Zellescher Weg 17, 01069 Dresden

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Fachthemen Jens Pfafferott Doreen Kalz

DOI: 10.1002/bapi.201310046

Energieeffiziente Kühlung und thermischer Raumkomfort (Teil 2): Simulationsbasierte Evaluierung von Kühlkonzepten in verschiedenen europäischen Klimazonen Unter dem europäischen Programm Intelligent Energy for Europe (IEE) fanden sich acht europäische Partner zusammen, um im Rahmen des Projektes ThermCo Lüftungs- und Kühlenergiekonzepte für Nichtwohngebäude mit niedrigem Energieeinsatz im Hinblick auf die Energieeffizienz und den thermischen Raumkomfort zu bewerten (siehe Teil 1 dieser Veröffentlichung in Bauphysik 34 (2012), Heft 6. Mit Hilfe einer Simulationsstudie für ein typisches Bürogebäude wird das Potenzial unterschiedlicher Lüftungs- und Kühlstrategien unter Berücksichtigung von Energieeffizienz und Raumkomfort für verschiedene europäische Klimazonen bewertet. Die Ergebnisse weisen eine hohe Wirksamkeit von Nachtlüftungskonzepten im nord-europäischen Sommerklima mit verhältnismäßig niedrigen Außentemperaturen nach. Im mitteleuropäischen Sommerklima bietet das Erdreich ein ausreichend niedriges Temperaturniveau für den effizienten Einsatz von wassergeführten Flächentemperiersystemen. Im südeuropäischen Sommerklima kann eine aktive Kühlung über Luft die hohen und schnell fluktuierenden Kühllasten effizient abführen. Energy efficient cooling and ventilation concepts for thermal interior comfort: Simulation-based evaluation of cooling concepts in different European climate zones (Part 2). Under the framework of the European Program Intelligent Energy for Europe (IEE), the project ThermCo evaluates low-energy ventilation and cooling concepts for non-residential buildings all-over Europe using a standardized method based on existing monitoring data from best practice examples (part 1, in Bauphysik 6/2012). A simulation study investigates the potential of different ventilation and cooling strategies with regard to energy efficiency and thermal comfort in different European climates. The results demonstrate a high potential for night ventilation strategies in North-European climate with low ambient air temperatures. In the Mid-European climate, water based low-energy cooling technologies based on radiant cooling make use of the cool ground in summer. Active cooling provides good thermal comfort in South-European climate with high and fluctuating cooling loads.

1 Einleitung In dem europäischen Programm Intelligent Energy for Europe (IEE) fanden sich acht europäische Partner zusammen, um im Rahmen des Projektes ThermCo [18] Lüftungsund Kühlkonzepte für Nichtwohngebäude mit niedrigem Energieeinsatz im Hinblick auf die Energieeffizienz und den thermischen Raumkomfort zu bewerten. Die Analyse erfolgte auf Basis von detaillierten Langzeitmessungen über ein Betriebsjahr in acht Demonstrations-

gebäuden in unterschiedlichen klimatischen Zonen Europas und einer standardisierten Datenauswertung. Im Quervergleich aller acht Gebäude werden die Kühlkonzepte gleichermaßen nach dem thermischen Kühlenergiebezug, dem thermischen Raumkomfort und dem Primärenergieeinsatz für die technische Gebäudeausrüstung und die Beleuchtung bewertet. Ein Energiekonzept ist erst dann zufriedenstellend, wenn mit möglichst geringem Energieeinsatz und bei hoher Anlageneffizienz ein guter thermischer Raumkomfort zur Verfügung gestellt werden kann. Die Autoren [11] bringen diese Parameter mit entsprechenden Gebäudesignaturen in einen Zusammenhang, überprüfen die Zielstellung und können daraus konkrete Handlungsempfehlungen ableiten. In einer Simulationsstudie werden fünf Lüftungs- und Kühlenergiekonzepte für jeweils sechs Referenzstandorte in nord-, mittel- und südeuropäischen Klimazonen für ein Referenzgebäude untersucht und bewertet. Im Ergebnis stehen für diese Konzepte in den jeweiligen Klimazonen Kennzahlen für den thermischen Kühl- und dem damit einhergehenden elektrischen Endenergiebezug zur Verfügung. Gemeinsam mit der Bewertung des thermischen Raumkomforts können schließlich Vorschläge für geeignete Kühlkonzepte unterbreitet werden.

2 Gebäudemodell Als Gebäudemodell wird ein dreistöckiges Bürogebäude mit zwei Büroreihen mit einer Raumbreite von 3,9 m, einer Raumlänge von 5,2 m und einer Raumhöhe von 3,0 m (lichte Raummaße), die über einen Flur mit einer lichten Raumbreite von 2,6 m erschlossen werden, angenommen. Dieser Gebäudtyp wird häufig als Referenzgebäude gewählt und wird von Voss und Pfafferott [21] detailliert beschrieben, Bild 1. Das Gebäude hat eine Nettogrundfläche von rund 1500 m² und wird in Ost/West-Richtung simuliert. Das A/V-Verhältnis beträgt 0,4 m²/m³ und das Fenster/Fassaden-Verhältnis 0,32 m²AF/m²AW. Das Simulationsmodell erfüllt als europäisches Vergleichsgebäude die Anforderungen der EPBD 2002 [8]. Die bauphysikalischen Parameter wurden in Anlehnung an EnEV 2009 [7] und DIN 4108-2 [6] festgelegt: – flächengewichteter, mittlerer U-Wert von Außenwand, Bodenplatte und oberster Geschossdecke U opak = 0,24 W/m²K, einschließlich Wärmebrückenverluste; – U-Wert der Außenfenster Utransparent = 1,0 W/m²K mit g⊥ = 0,58;

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Bild 1. Gebäudesimulationsmodell: Typisches Bürogebäude für nord-, mittel- und südeuropäische Länder (Quelle: Harter + Kanzler Architekten) Fig. 1. Building simulation model: Typical European office building for North-, Mid- and South-European countries (source: Harter + Kanzler Architekten)

– variable Verschattung mit externen Jalousien mit Fc,geschlossen = 0,06, wobei der mittlere Fc-Wert unter Berücksichtigung einer halbautomatischen Steuerung für eine Solarstrahlung von 200 W/m² auf die Fassade bei rund 0,2 liegt.0 Die Büronutzung orientiert sich an den Vorgaben der VDI 2078 [19] mit einer Nutzung von 08:00 bis 18:00 (UTC) während der Werktage. Die internen Wärmegewinne werden mit 156 Wh/m² pro Tag angenommen und entsprechend einem gemessenen Lastprofil [20] abgebildet.

3 Kühl- und Lüftungskonzepte Bild 2 zeigt fünf Kühlkonzepte, wobei alle Konzepte eine Fensterlüftung zulassen. Das Nutzerverhalten wird dabei in Anlehnung an ein Modell von Herkel [9] abgebildet. In vier Konzepten wird ein Abluftventilator eingesetzt, der tagsüber einen hygienischen Luftwechsel von 40 m³/h pro Person gewährleistet. Hinweis Zwar wird in konkreten Projekten oft eine Zuund Abluftanlage eingesetzt, um im Winter eine Wärmerückgewinnung oder im Sommer eine Luftentfeuchtung realisieren zu können. Zur besseren Vergleichbarkeit der Konzepte werden hier jedoch nur die sensible Kühlung und eine einfache Abluftanlage berücksichtigt. 1. Die passive Kühlung umfasst alle Maßnahmen, um Wärmelasten zu reduzieren und die reduzierten Wärmegewinne so in der Gebäudemasse zu speichern, dass sie allein durch freie Nachtlüftung abgeführt werden können. Der tatsächliche freie Luftwechsel variiert von Tag zu Tag und von Ort zu Ort und überschreitet oft 2 h-1 in den nördlichen Sommerklimazonen und erreicht selten Werte über 1,8 h-1 in den südlichen Sommerklimazonen. 2. Eine Lüftungsanlage gewährleistet eine gute Raumluftqualität und kann zur maschinellen Nachtlüftung eingesetzt werden. Die Nachtlüftung wird dann betrieben, wenn die Raumtemperatur 21 °C überschreitet und gleichzeitig die Außentemperatur mindestens 2 K unter der Abluft- bzw. mittleren Raumtemperatur liegt. 3. Ein Ventilatorkonvektor liefert in diesem Modell ausschließlich sensible Kühlung, um den thermischen Komfort während der Nutzungszeit sicherzustellen. Die Kompressionskältemaschine wird unabhängig vom Standort

mit einer Vorlauftemperatur von 13 und einer Rücklauftemperatur von 18 °C betrieben, wobei ein Naßkühlturm als Wärmesenke genutzt wird. Die maximale Kühlleistung wird auf 90 W/m² limitiert. Die Jahresarbeitszahl verringert sich dabei von Nord nach Süd infolge der höheren Außentemperaturen während der Betriebszeit von 3,1 in Stockholm auf 2,4 kWhtherm/kWhel in Palermo. 4. Eine abgehängte Kühldecke reagiert verhältnismäßig schnell auf Laständerungen und wird in dieser Studie nur während der Anwesenheitszeit betrieben. Die Kühlleistung ist direkt abhängig von der Temperaturdifferenz zwischen Kühlmedium und Raum und liegt bei rund 100 W/m² bei einer Temperaturdifferenz von 8 K. Die Kühldecke nimmt 70 % der Bürofläche ein. Die tatsächliche, maximale Kühlleistung liegt beispielsweise am Standort Mailand bei 77 W/m²NGF, wobei die Vorlauftemperatur nach einem Vorschlag von Olesen [18] gemäß geregelt und standortunabhängig auf minimal 16 °C begrenzt wird. Ein Erdsondenfeld dient als Wärmesenke, wobei die Jahresmitteltemperatur des Erdreichs für jede Klimazone separat bestimmt wird. Sie steigt von 6,3 im Norden auf 19,6 °C im Süden. Falls die Rücklauftemperatur aus dem Erdsondenfeld die Soll-Vorlauftemperatur überschreitet, sorgt eine Kompressionskältemaschine für die notwendige Zusatzkühlung. In diesem Fall wird die Erdsonde zur Rückkühlung des Kältekreislaufes genutzt. Da in Stuttgart die Rücklauftemperatur der Erdsonde ganzjährig zur Kühlung ausreicht, kann hier eine sehr hohe Jahresarbeitszahl von 14 kWhtherm/ kWhel erreicht werden, weil nur die Hilfsenergie für die Umwälzpumpe aufgebracht werden muss. Demgegenüber sinkt die Jahresarbeitszahl in Rom auf nur 3,4 kWhtherm/ kWhel, weil oft aktiv gekühlt werden muss. 5. Die Bauteilaktivierung wird in dieser Studie nur während der Nachtstunden betrieben. Durch die hohe thermische Trägheit wird die Kühlleistung jedoch ganztägig mit einer spezifischen Kühlleistung von rund 40 W/m²NGF wirksam. Damit geht eine spürbare Temperaturschwankung während der Nutzungszeit einher. Die Betriebsstrategie ist vergleichbar mit der Regelung der abgehängten Kühlsegel allerdings mit in die Nachtstunden verschobenen Betriebszeiten. Damit wird für Stuttgart nahezu die gleiche Jahresarbeitszahl von 14 kWhtherm/kWhel erreicht wie für die Kühlung über abgehängte Kühldecken. In Rom liegt die Jahresarbeitszahl mit 3,8 kWhtherm/kWhel

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Bild 2. Fünf Kühlkonzepte: passive Kühlung, mechanische Nachtlüftung, aktive Kühlung mit Kompressionskältemaschine und wasserbasierte Niedrigenergiekühlung (abgehängte Kühldecke und Bauteilaktivierung)mit oberflächennaher Geothermie und Kompressionskältemaschine, falls erforderlich Fig. 2. Five different cooling concepts: passive cooling, night ventilation, active cooling with compression chiller, and waterbased low-energy cooling with compression chiller when needed to meet the cooling load (suspended cooling panel and concrete core conditioning)

wegen der höheren Vorlauftemperaturen für die Bauteilaktivierung gegenüber der abgehängten Kühldecke etwas höher. Die Investitionskosten für diese fünf Konzepte können auf Basis dokumentierter Projekte [20] und Erfahrungswerte [21] für die Gesamtinstallation abgeschätzt werden. 1. Passive Kühlung: 20 €/m². Überströmöffnungen und vergrößerte Lüftungsdurchlässe zur Minimierung des Druckverlustes bei freier Strömung. 2. Maschinelle Nachtlüftung: 32 €/m². Überströmöffnungen, Abluftventilator, einfache Kanalführung und MSRTechnik. 3. Aktive Kühlung: 85 €/m². Überströmöffnungen, Abluftventilator, einfache Kanalführung, Kompressionskältemaschine mit Kühlturm, Ventilatorkonvektoren, Kaltwasserverrohrung und MSR-Technik (Kombination mit Heizung möglich). 4. Abgehängte Kühldecken: 138 €/m². Überströmöffnungen, Abluftventilator, einfache Kanalführung, Kompressionskältemaschine mit Erdsonde, abgehängte Kühldecke, Kaltwasserverrohrung und MSR-Technik (Kombination mit Heizung üblich). 5. Bauteilaktivierung: 117 €/m². Überströmöffnungen, Abluftventilator, einfache Kanalführung, Kompressionskältemaschine mit Erdsonde, Bauteilaktivierung, Kaltwasserverrohrung und MSR-Technik (Kombination mit Heizung sinnvoll).

4 Wetterdaten Die Simulationsstudie wird für 6 europäische Klimazonen durchgeführt, wobei jede Klimazone hier durch eine Referenzstation beschrieben und durch die Monatsmitteltemperatur im August charakterisiert werden soll:

– – – – – –

Stockholm Hamburg Stuttgart Mailand Rom Palermo

ATAugust < 16 °C 16 < ATAugust < 18 °C 18 < ATAugust < 20 °C 20 < ATAugust < 22 °C 22 < ATAugust < 24 °C ATAugust > 24 °C.

Als Klimadatenbank wird METEONORM [12] verwendet, wobei die oben genannten Sommerklimazonen in guter Näherung mit den USDA Hardiness Zones (Kategorisierung von Klimazonen) 5 für Nordeuropa bis 10 für Südeuropa entsprechen.

5 Gebäude- und Anlagensimulation Die Simulation wird entsprechend des so genannten Klimaerlasses [1] und unter Berücksichtigung der BBR-Richtlinie zur dynamisch-thermischen Simulationsrechnung für den Sommerlastfall [2] durchgeführt. Als Simulationsprogramm wird IDA-ICE [10] verwendet. Die gebäudetechnischen Systeme werden aus der vorhandenen und am Fraunhofer ISE weiterentwickelten Modellbibliothek übernommen, wobei das Wärmepumpen/Kältemaschinen-Modell von Salvalai [15] verwendet wird. Das gekoppelte Simulationsmodell wird von Salvalai et al. [16] detailliert beschrieben. Eine detaillierte simulationsbasierte Auswertung eines Demonstrationsgebäudes nach gleicher Methode wird beispielhaft von Pfafferott et al. [13] vorgestellt. Die gekoppelte Gebäude- und Anlagensimulation wird für den Zeitraum 1. Mai bis 30. September durchgeführt. Der Nutzkältebedarf wird sowohl für das PMV-Modell als auch das adaptive Komfortmodell der EN 15251 [5] bestimmt. Der jährliche Endenergiebedarf für Lüftung und Kühlung wird gemäß EN 15241 [3] und EN 15243 [4] be-

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Bild 3. Nutzkältebedarf: der Kühlenergiebedarf steigt von Nord nach Süd, wobei der Nutzkältebedarf jeweils höher ist, wenn der thermische Komfort gemäß dem PMV-Modell statt des adaptiven Komfortmodells nach EN 15251eingehalten werden soll Fig. 3. Useful cooling energy demand: the cooling energy demand increases from North to South. The PMV-model results in a higher cooling energy demand than the adaptive comfort model according to EN 15251

rechnet, wobei der Endenergiebedarf für maschinelle Lüftung während der Nutzungszeit mit 2,9 kWh/m²a unabhängig vom Standort angenommen wird [14]. Erwartungsgemäß steigt die spezifische Kühllast [W/m²] von Nord nach Süd in erster Linie infolge der höheren Außentemperaturen und zu einem geringeren Anteil infolge der steigenden solaren Wärmelasten an. Bild 3 zeigt, dass der Nutzkältebedarf [kWh/m²a] nicht nur eine Funktion des Standortes sondern auch des gewählten Komfortmodells ist. Liegen die mittleren Außentemperaturen deutlich unter der geforderten Raumtemperatur, so ist dieser Unterschied gering ausgeprägt. In Hamburg sinkt der Nutzkältebedarf lediglich von 27,6 auf 26,3 kWh/m²a, wenn statt des PMV-Modells das adaptive Komfortmodell gewählt wird. Bei deutlich höheren Außentemperaturen ist der Unterschied zwischen den beiden Komfortmodellen jedoch stark ausgeprägt, so steigt der Nutzkältebedarf in Rom von 34,1 für das adaptive Komfortmodell auf 49,4 kWh/m²a für das PMV-Modell. Damit bestätigt die Simulationsstudie auch die Ergebnisse aus dem COMMONCENSE Projekt [17].

Bild 4 zeigt deutlich, dass der Endenergiebedarf für die luftgeführte Kühlung mit Ventilatorkonvektoren (bei Kältebereitstellung über eine Kompressionskältemaschine und einem Kühlturm als Wärmesenke) in jedem Klima am höchsten ist und von Norden nach Süden deutlich ansteigt. In den nördlichen Klimazonen ist der Unterschied zwischen den einzelnen Kühlstrategien weniger stark ausgeprägt als in den südlichen Klimazonen. Der Endenergiebedarf für die maschinelle Nachtlüftung steigt nur geringfügig, für die wasserbasierten Systeme allerdings markant an. Denn die Erdtemperatur in Südeuropa ist zu hoch, um direkt über die Erdsonde als Wärmesenke genutzt werden zu können. Hier kann die Erdsonde lediglich zur Rückkühlung der Kompressionskältemaschine eingesetzt werden. Diese Auswertung zeigt nicht, ob die Komfortkriterien tatsächlich eingehalten werden können. Bild 5 zeigt die Grenzen der einzelnen Kühlkonzepte im Hinblick auf den thermischen Komfort auf: – Passive Kühlung ist nur in Nordeuropa als Kühlkonzept gut geeignet. Vorausgesetzt, die Gebäude werden explizit für dieses Konzept unter den spezifischen Bedingungen vor Ort geplant. – Eine maschinelle Nachtlüftung kann bei höheren Außentemperaturen in Südeuropa keinen ausreichend guten thermischen Komfort gewährleisten. – Eine aktive, luftgeführte Kühlung kann in allen Klimazonen durchgängig eine ausreichend hohe Kühlleistung bereitstellen, um auch hohe Komfortansprüche zu erfüllen. – Wassergeführte Flächentemperiersysteme sind grundsätzlich in allen Klimazonen gut geeignet, wobei die thermisch träge Bauteilaktivierung bei hohen und fluktuierenden Wärmelasten unter südeuropäischen Bedingungen an die Leistungsgrenze stößt. Hier sind abgehängte Kühlsysteme im Vorteil.

6 Analyse der Simulationsergebnisse Die Einzelergebnisse der Simulation zeigen kein einheitliches Bild. Erst eine Kombination der beiden Aspekte „Endenergiebedarf für Lüften und Kühlen“ sowie „thermischer Komfort“ liefert eine Auswertung unter planerischen Aspekten. Da einige Kombinationen zu vergleichbaren Ergeb-

Bild 4. Endenergiebedarf für Lüftung und Kühlung Fig. 4. End energy demand for ventilation and cooling

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thermischen Anforderungen gemäß dem adaptiven Komfortmodell erfüllen. Unter diesen Voraussetzungen – können im nordeuropäischen Sommerklima die verhältnismäßig hohen solaren Wärmegewinne infolge der langen Sonnenscheindauer bei tiefstehender Sonne effizient durch die verhältnismäßig kühle Außenluft abgeführt werden. Eine maschinell unterstützte Nachtlüftung verbessert die Regelbarkeit und die Wärmeabfuhr während hochsommerlicher Perioden. – kann im mitteleuropäischen Sommerklima die oberflächennahe Geothermie die erforderliche Kühlleistung zur Verfügung stellen. Falls eine zusätzliche aktive Kälteerzeugung (z. B. reversible Wärmepumpe) erforderlich wird, können thermisch träge Übergabesysteme zur Lastverschiebung genutzt werden. – muss im südeuropäischem Sommerklima eine vergleichsweise hohe Kühlleistung bereitgestellt werden, um auch stark schwankende Kühllasten abführen zu können. Da der Temperaturunterschied zwischen der Umgebungstemperatur und der Komforttemperatur gering ist, ist oft eine aktive Kühlung erforderlich, um die Komfortanforderungen zu erfüllen. Bild 5. Thermischer Komfort für das adaptive Komfortmodell nach EN 15251 Fig. 5. Thermal comfort according to the adaptive comfort model according to EN 15251

nissen führen, wird der Aspekt „Investitionskosten“ in diesen Fällen als dritter Parameter im Rahmen einer multikriteriellen Analyse hinzugezogen. Bild 6 gibt einen Überblick über bevorzugte Kühlkonzepte für die sechs Sommer-Klimaregionen in Europa. Das Referenzgebäude wird in allen Klimazonen gleich ausgestattet, unterliegt einer identischen Nutzung und soll die

7 Zusammenfassung Gebäude mit Niedrigenergiekühlung haben sich in den letzten Jahren etabliert. Die systematische Analyse der Langzeitmessungen von acht europäischen Gebäuden (s. Teil 1 der Veröffentlichung, [11]) belegt, dass mit diesen Systemen ein hohes Maß an thermischer Behaglichkeit in Verbindung mit einer hohen Energieeffizienz unter bei Nutzung von erneuerbarer Umweltenergie erreicht werden kann. Die Simulationsstudie bestätigt die Ergebnisse dieser Messdatenauswertung, verallgemeinert diese und stellt

Bild 6. Thermischer Komfort für das adaptive Komfortmodell nach EN 15251 Fig. 6. Thermal comfort according to the adaptive comfort according to EN 15251

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grundlegende Planungsvorschläge vor. So können zeitgemäße Bürogebäude mit typischer Büronutzung in sommerkühlen Klimazonen besonders vorteilhaft allein mit der Umgebungsluft, in gemäßigten Klimazonen sehr effizient über Flächentemperiersysteme in Verbindung mit oberflächennaher Geothermie und in sommerheißen Klimazonen am besten über schnell reagierende, aktive Kühlsysteme gekühlt werden. Diese Studie kann und soll die planerische Leistung bei der Gestaltung von Gebäude- und Energiekonzepten nicht ersetzen. In der großen Bandbreite von Konzepten und Nutzungsbedingungen müssen in der Planung ohnehin vielfältige Kriterien berücksichtigt werden. Es geht daher hier vielmehr darum, eine standortabhängige Einordnung der am Markt befindlichen Kühlsysteme als Hilfestellung für die Evaluierung in der Planungsphase zur Verfügung zu stellen.

Danksagung Diese Arbeit entstand im Rahmen des EU–Projektes „ThermCo“ (Förderkennzeichen: EIE/07/026/SI2.466692) und des Projektes „LowEx:Monitor“, das mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Technologie (BMWi) gefördert wurde (Förderkennzeichen: 0327466B). Die Europa-Karte mit der Darstellung der sechs Sommer-Klimazonen wurde von Dr. Dirk Riemann (Institut für Physische Geographie, Universität Freiburg) erstellt. Literatur [1] BMVBS-Richtlinie zu baulichen und planerischen Vorgaben für Baumaßnahmen des Bundes zur Gewährleistung der thermischen Behaglichkeit im Sommer. B12 – 8132.1/0 vom 05. 12. 2008. [2] Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung. Richtlinie zur Durchführung einer dynamisch thermischen Simulationsrechnung für den Sommerlastfall in Gebäuden. Bericht 10.08.17.706.12, 2006. [3] DIN EN 15241:2011-06 Lüftung von Gebäuden – Berechnungsverfahren für den Energieverlust aufgrund der Lüftung und Infiltration in Gebäuden. Deutsches Institut für Normung e. V., 2011. [4] DIN EN 15243:2007-10. Lüftung von Gebäuden – Berechnung der Raumtemperaturen, der Last und Energie von Gebäuden mit Klimaanlagen. Deutsches Institut für Normung e. V., 2007. [5] DIN EN 15251:2007-08 Eingangsparameter für das Raumklima zur Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden. Deutsches Institut für Normung e. V., 2007. [6] DIN 4108-2:2003-07 Wärmeschutz und Energieeinsparung in Gebäuden. Deutsches Institut für Normung e. V., 2003. [7] EnEV 2009. Verordnung über energiesparenden Wärmeschutz und energiesparende Anlagentechnik bei Gebäuden.

Verordnung zur Änderung der Energieeinsparverordnung vom 29. April 2009. BGBl. I S. 643. [8] EPBD 2002. Richtlinie 2002/91/EG des Europäischen Parlaments und des Rates vom 16. Dezember 2002 über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden. Aktualisiert am 19. Mai 2010 durch Richtlinie 2010/31/EU. [9] Herkel, S., Knapp, U., Pfafferott, J.: Towards a model of user behaviour regarding the manual control of windows in office buildings. Building and Environment 43, 2008. [10] IDA Indoor Climate and Energy 3.0. http://www.equa.se [Januar 2013] [11] Kalz, D., Pfafferott, J.: Energieeffiziente Kühlung und thermischer Raumkomfort: Vergleichende Analyse von acht europäischen Nichtwohngebäuden (Teil 1). Bauphysik 34 (2012), H. 6, S. 256–267. [12] meteonorm 6. METEOTEST, Bern (CH), 2009. [13] Pfafferott , J., Jacob, D., Kalz, D., Salvalai, G.: Evaluation of a low-energy cooling concept using a coupled building and plant simulation model. PALENC 2010 Conference on Passive and Low-energy Cooling, Rhodos/GR, 2010. [14] Salvalai, G.: Passive devices for summer climate control in buildings design tools and technological issues for mediterranean climate. Politecnico di Milano, Building Environment Science and Technology, 2010. [15] Salvalai, G.: Implementation and validation of simplified heat pump model in IDA-ICE energy simulation environment. Energy and Buildings 49, 2012. [16] Salvalai, G., Pfafferott, J., Jacob, D.: Validation of a low-energy whole building simulation model. Fourth National Conference of IBPSA-USA, New York, 2010. [17] Santamouris, M., Sfakianaki, K.: Predicted energy consumption of major types of buildings in European climates based on the application of EN 15251. Report for EIE/07/190/SI2.467619, COMMONCENSE, Comfort monitoring for CEN standard EN15251 linked to EPBD. www.commoncense.info [Juni 2011]. [18] ThermCo – Thermal comfort in buildings with low-energy cooling – Establishing an annex for EPBD-related CEN-standards for buildings with high energy efficiency and good indoor environment. EIE/07/026/SI2.466692. http://www.thermco. org [Januar 2013]. [19] VDI 2078:1996-07 Berechnung der Kühllast klimatisierter Räume. Verein Deutscher Ingenieure, Düsseldorf, 1996. [20] Voss, K., Löhnert, G., Herkel, S., Wagner, A., Wambsganß, M.: Bürogebäude mit Zukunft. SOLARPRAXIS, 2006. [21] Voss, K., Pfafferott, J.: Energieeinsparung contra Behaglichkeit? Heft 121, BBR, Bonn, 2007.

Autoren dieses Beitrages: Prof. Dr.-Ing. Jens Pfafferott, Hochschule Offenburg, Maschinenbau und Verfahrenstechnik, Institut für Energiesystemtechnik (INES), Badstr. 24, 77652 Offenburg Dr.-Ing. Doreen Kalz, Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE, Abt. Thermische Anlagen und Gebäude, Energieeffiziente und Solare Kühlung, Heidenhofstr. 2, 79110 Freiburg

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Aktuell

Aktuell Das Nationalstadion Warschau gewinnt den 13. Ingenieurbau-Preis von Ernst & Sohn Der Preis wird seit 1988 alle zwei Jahre für herausragende Leistungen im Kon struktiven Ingenieurbau an ein Projektteam für das ausgezeichnete Bauwerk vergeben. Die Ingenieurleistung muss innerhalb Deutschlands, Österreichs oder der Schweiz erbracht worden sein; neu seit dieser Auslobung ist, dass der Standort des Bauwerks auch darüber hinaus weltweit sein kann. Aus 37 eingereichten Objekten mit Standorten in 13 Ländern konnte nach funktionalen, technischen, wirtschaftlichen und gestalterischen Gesichtspunkten ein Sieger ausgewählt werden. Alle Projekte spiegelten in hervorragender Weise die gesamte Breite des Bauinge nieurwesens, in Entwurf und Ausführung maßgeblich geprägt durch die In genieure – im Hochbau zum Teil dominiert durch eine bestimmende außergewöhnliche Architektur, wider. Die Jury tagte am 16. November 2012 in Berlin und entschied sich in mehreren Bewertungsrunden für das Siegerprojekt. Die Preisverleihung findet am 25. Januar 2013 in Berlin statt. Jury: Prof. Dr.-Ing. Manfred Curbach, TU Dresden (Vorsitz) Prof. Dr.-Ing. Annette Bögle, HafenCity Uni Hamburg Dr.-Dipl. Bau-Ing. Markus Gehri, SIA Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein Dipl.-Ing. PhD Bernhard Hauke, bauforumstahl e. V. Dipl.-Ing. Johann Sischka, Waagner Biro AG Prof. Dipl.-Ing. Holger Svensson, Zeuthen Dr.-Ing. Klaus Stiglat, Karlsruhe M.Sc. Eng. Nicolas Janberg, Ernst & Sohn Verlag Dr.-Ing. Karl-Eugen Kurrer, Ernst & Sohn Verlag Dipl.-Ing. Karin Lang, Ernst & Sohn Verlag

JSK Architekci sp. z o.o. (PL), schlaich bergermann und partner (D); Bauherr Narodowe Centrum Sportu Sp. z o.o. (PL) Ausführung Cimolai Spa federführend für das Konsortium JV Cimolai S.p.A + Mostostal Zabrze + Hightex GmbH (I). In der Urteilsbegründung der Jury heißt es: Mit dem polnischen Nationalstadion in Warschau wurde ingenieurtechnisches Neuland betreten. Herausragend ist der Entwurf einer Multifunktionsarena mit wintertauglichem wandelbarem Innendach und die Umsetzung in ein komplexes Gesamttragwerk, dessen statisches System verschiedene Prinzipien des Speichenrades synthetisiert. Das äußere der beiden ineinanderliegenden Ringseildächer besitzt eine feste Membraneindeckung zwischen den radialen Seilbindern und einen Glasrand zur inneren Öffnung hin. Das innere Ringseildach trägt die wandelbare Membran. Am äußeren Rand mit nur einem Druckring werden die Seilkräfte an den Spitzen der schräg stehenden Masten umgelenkt und am Fußpunkt der vertikalen Stützen verankert. Der innere Zugring ist mit einer schrägen Druckstütze gespreizt, sodass sich die oberen und unteren Seilscharen in der Luft in einem sorgfältig gestalteten Detail kreuzen. Dieser geteilte innere Zugring wird durch die Tragstruktur des wandelbaren Innendachs so in Form gehalten, dass die innere Dachöffnung der Spielfeldgeometrie folgen kann. Scheinbar mühelos schwebt mittig über dem Spielfeld eine elegante Nadel (Gewicht der Nadel mit Membrangarage und Videotafel 190 t), die den Hochpunkt des wandelbaren Innendachs bildet. Hier bündeln sich die achsweise nach oben geführten Seile, auf denen das Innendach verfahren werden kann. Getragen wird die Nadel durch vier Seil-

Folgende Projekte erhalten Auszeichnungen (ohne Rangfolge) Stahlviadukt Binnenhafenbrücke, Hamburg (Bilder 2 und 3) Ingenieure WTM Engineers GmbH (Massivbau) (D), Ingenieurbüro Grassl GmbH (Stahlbau) (D); Architekt Grundmann + Hein Architekten (D); Bauherr Hamburger Hochbahn AG (D); Ausführung Fr. Holst GmbH & Co. KG (Massivbau) (D), SD Stahlbau Dessau GmbH (Stahlbau) (D). Jurybegründung:

Preisträger: Nationalstadion Warschau (Bild 1) Ingenieure schlaich bergermann und partner (D); Architekten gmp Architekten von Gerkan, Marg und Partner (D),

scharen, die jeweils zu den Ecken der Dachöffnung spannen. Spektakulär war der Montageprozess, der höchste Präzision in Planung und Ausführung erforderte. Zunächst wurde die sich auf der darunter angelegten Tiefgarage abstützende 70 m lange Nadel durch eine Aussparung in der Spielfeldmitte in einem Köcherfundament senkrecht aufgestellt. Aufgrund ihres Gewichts musste der Hebevorgang exakt vertikal nach oben erfolgen, wobei keine horizontalen Verformungen auftreten durften. Mithilfe einer anspruchsvollen Berechnung des Hebevorgangs konnte die exakte Geometrie der ausgelegten Seile ermittelt werden. Im Montagevorgang zeigte sich, ob die Vorberechnungen zutrafen und wie präzise die Toleranzen eingehalten wurden. So manifestierte sich hier die Qualität der Zusammenarbeit zwischen Ingenieuren und ausführenden Firmen. Ausgezeichnet werden die ungewöhnliche Konstruktion und die ingeniöse Beherrschung des Spiels der Grundbeanspruchungen von Druck und Zug in der Planung und Ausführung. Das Ergebnis ist eine bis ins Detail gestalterisch durchdachte strukturale Komposition, die ästhetisch und konstruktiv überzeugt.

Bild 1. Nationalstadion Warschau (Foto: Marcus Bredt)

Die Binnenhafenbrücke als ViaduktBauwerk für die U-Bahn liegt in exponierter Lage an der Mündung der Alster in die Elbe und ist beidseits umgeben von Straßenbrücken. Das historische Vorgängerbauwerk aus der Kaiserzeit war eine freistehende Fachwerkbrücke. Erst durch die massiven Straßenbrücken späterer Jahre wurde der Ausblick auf Elbe und Alster verbaut.

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Aktuell

Bild 2. Stahlviadukt Binnenhafenbrücke Hamburg, Ansicht von Südosten (Foto: Ingenieurbüro Grassl)

Bild 3. Alte Binnenhafenbrücke Hamburg, Ansicht von Südosten (Foto: Ingenieurbüro Grassl)

Mit dem Ersatzneubau wird die historische Stahlgitterkonstruktion nicht aufgegriffen, wohl aber das ursprüngliche Erleben der Brückensituation über die Alster. Die ästhetisch ausgewogene Viaduktbrücke verbessert nicht nur den gestörten Blick, sondern verdeutlicht auch durch ihre konstruktiv schlüssige Bogenform gestalterisch gelungen die Überbrückung der Alstermündung. Die moderne, funktionale Konstruktion der Binnenhafenbrücke greift historische Formen auf und korrespondiert so hervorragend mit dem Kontext der umliegenden Speicherstadt. Das Viaduktbauwerk ist somit ein sehr gutes Beispiel für eine funktionale und sensible Erneuerung der Verkehrsinfrastruktur in einer urbanen Umgebung.

kung unserer vorhandenen Bausubstanz. Dabei gilt es sowohl die gestalte rischen Leistungen unserer Vorfahren zu bewahren als auch mit moderner Technik die Sicherheit und Dauerhaftigkeit zu garantieren. Eine besondere Erschwernis liegt in der Tatsache, dass derartige instandsetzungsbedürftige Bauwerke in der Regel einer intensiven Nutzung unterliegen und ein Ausfall signifikante Auswirkungen haben kann. Deshalb sind besondere Lösungen erforderlich. Ein herausragendes Beispiel für eine ästhetisch erstrangige Konstruktion, die gleichzeitig von sehr vielen Menschen unmittelbar genutzt wird, stellt der Hamburger Hauptbahnhof dar. Eine Tragkonstruktion aus dem Jahre 1906, die im schönsten Sinne eine Kathedrale des Reisens darstellt und für die leider kaum noch statische Unterlagen vorhanden sind, wies nach über hundert Jahren gravierende Mängel auf. Um eine möglichst ununterbrochene Nutzung mit geringsten Einschränkungen zu bekommen, haben die Entwurfsverfasser eine nahezu unsichtbare Instandsetzung geplant. Statt einer Vielzahl von temporäreren Unterstützungen zu bauen, um von unten an die Konstruktion heranzukommen, wurden alle Sanierungsarbeiten quasi von oben durchgeführt. Was so einfach klingt, hatte zahlreiche ingenieurtechnische Probleme zur Folge. Damit wird hier nicht nur ein neues Bauwerk lobend erwähnt, sondern die ingenieurtechnische Leistung bei der Instandsetzung und Verstärkung einer vorhandenen Tragstruktur. Insbesondere wurden filigrane, leicht und schnell zu

Sanierung Hauptbahnhof, Hamburg (Bild 4) Ingenieure, Architekt Ingenieurbüro A. Elsner (D); Bauherr DB Station & Service AG, Regionalbüro Nord, Büro HH (D); Ausführung Eiffel Deutschland Stahltechnologie GmbH (D). Jurybegründung: Eine immer wichtiger werdende Inge nieuraufgabe der Zukunft besteht im Erhalt und der Instandsetzung/Verstär-

Bild 4. Hamburger Hauptbahnhof mit neuer Dacheindeckung (Foto: Hermann Kolbeck, Langenhagen)

montierende und demontierbare Schutznetzkonstruktionen im Inneren der Haupthalle verwendet. Dadurch gab es nur kaum spürbare Beeinträchtigungen des Bahn- und Reisendenverkehrs. Die Bauhilfskonstruktionen mussten dabei so leicht wie möglich ausgeführt werden, da die Lastreserven der bestehenden Tragkonstruktion sehr gering waren. Durch die Erneuerung der Glasfassaden ist die schon zuvor beeindruckende Bahnhofshalle wesentlich heller und noch attraktiver geworden. Weitere Informationen: www.ernst-und-sohn.de

Neues VDMA-Grundlagenpapier Entrauchung Im Brandfall werden Flucht, Rettung und Löschangriff vorwiegend vom entstehenden Rauch und weniger von der Brandhitze beeinflusst. Der effektive Umgang mit dem Rauch ist daher entscheidend, um Personen- und Sachschäden so gering wie möglich zu halten. Das neue „Grundlagenpapier Entrau chung“, zusammengestellt vom Verband Deutscher Maschinen- und Anlagenbau e. V. (VDMA), trägt die wesentlichen Grundlagen des Themas aus rechtlicher, physikalischer sowie technischer Sicht zusammen und beschreibt die dazu passenden technischen Lösungen. Als Autoren engagierten sich die in Deutschland zu diesem Thema führenden Wissenschaftler und Brandschutzfachleute. Das Heft beschreibt auf 46 S. die Prinzipien der Entrauchung und Rauchableitung in den fünf Bereichen – Rauchableitung durch Verdünnung, – Entrauchung durch Schichtung, – Rauchabschnittbildung, – Rauchfreihaltung, und – Lösungen für spezielle Gebäude. Welche Maßnahmen in einem konkreten Umfeld jeweils als ausreichend erachtet werden können, hängt individuell von den jeweiligen Schutzzielen sowie den baulichen Gegebenheiten ab. Beispielsweise kann das Prinzip der Verdünnung angewendet werden, sofern im Brandraum nicht die Bildung raucharmer Schichten zur sicheren Evakuierung, zur Brandbekämpfung oder für den Sachschutz im Vordergrund steht. Bei Räumen ab etwa 200 m² Fläche ist eine Entrauchung durch Schichtung möglich, die bei größeren Räumen dann auch meist die wirtschaftlichste Lösung darstellt. Bei größeren Räumen ist es dabei erforderlich, Rauchabschnitte zu bilden. Detailliert beschrieben werden im „Grundlagenpapier Entrauchung“ auch Lösungen für Tiefgaragen und Hoch

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Aktuell / Persönliches / Technische Regelsetzung regallager. Aufgrund der meist geringen Raumhöhe < 3 m wird sich in großen Tiefgaragen meist nur in der Anfangsphase eines Brands eine Rauchschicht ausbilden. Je nach Komplexität der Garage lassen sich verschiedene Brandszenarien in der Steuerung der Ventilation realisieren, um einen effektiven Löschangriff der Feuerwehr zu ermöglichen. Bei Hochregallagern können sich – je nach Ausführung des Entrauchungskonzepts – unterschiedliche Schutzziele und Entrauchungsmaßnahmen ergeben. Wichtig ist bei unter anderem, ob sich Menschen in den Räumen aufhalten oder ob Regalsprinkleranlagen vorhanden sind. Download unter www.fvlr.de. Weitere Informationen: FVLR e.V. Ernst-Hilker-Straße 2 32758 Detmold Tel. +49(0)5231/30959-0 Fax +49(0)5231/30959-29 E-Mail: info@fvlr.de www.fvlr.de

Persönliches Berufung Christoph van Treeck an die RTWTH Aachen

Der Lehrstuhl für Energieeffizientes Bauen E3D wurde Anfang 2012 an der Fakultät für Bauingenieurwesen an der RWTH neu eingerichtet und löst 2013 den bestehenden Lehrstuhl für Gebäudetechnik und Baubetrieb ab. Die inhaltlichen Schwerpunkte des neuen Lehrstuhls liegen auf der Modellierung und Simulation bauphysikalischer Prozesse im Bereich energieeffizienten und nachhaltigen Bauens und Betreibens von Gebäuden, der Lebenszykluskostenanalyse, der Modellierung und Simulation des Nutzerverhaltens und der Klimawirkung auf den Mensch hinsichtlich thermischer Behaglichkeit, insbesondere auch in Fahrzeugen im Bereich Elektromobilität. Hierbei werden auch Wechselwirkungen mit physiologischen, psy-

chologischen und demographischen Aspekten betrachtet und Probandenversuche in Klimaräumen durchgeführt. Zum Beispiel hinsichtlich der menschlichen Leistungsfähigkeit. Hierfür werden IT-basierte Methoden in den Bereichen Building Information Modelling (BIM), thermisch-energetische Gebäudesimulation, mensch-bezogene Modellierung und Simulation und multi-physics simulation eingesetzt und Algorithmen, etwa zur Kopplung von Simulationsverfahren, weiterentwickelt. Dr.-Ing. habil. Christoph van Treeck (Jahrgang 1971) ist seit Januar 2012 Universitätsprofessor für das Fach Energieeffizientes Bauen der Fakultät für Bauingenieurwesen der RWTH. Er absolvierte von 1992 bis 1997 ein Diplomstudium des Bauingenieurwesens an der Technischen Universität München mit den Schwerpunkten Statik und Stahlbau. Anschließend war er nach einigen Monaten am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE), Freiburg als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Lehrstuhl für Bauinformatik n der Fakultät für Bauingenieur- und Vermessungswesen der TU München bei Prof. Dr. rer. nat Ernst Rank tätig, ab 2001 als wissenschaftlicher Assistent an der TUM und 2003 bis 2009 leitete er hier die Forschergruppe Building Performance Simulation. Im Jahr 1999 wurde ihm der Lehrpreis „Doce et Delecta“ für Nachwuchswissenschaftler der TUM verliehen. 2004 promovierte er auf dem Gebiet der numerischen Strömungsmechanik und Bauwerkinformationsmodellierung. 2007 wurde er Akademischer Oberrat am Lehrstuhl für Computation in Engineering, TUM bei Prof. Rank und blieb hier bis 2009. Ein Forschungsaufenthalt führte ihn an die Technische Universiteit Eindhoven (NL). Van Treeck erhielt 2009 den Fraunhofer Attract Forschungspreis und war 2009 bis 2011 Gruppenleiter „Simulation“ am Fraunhofer-Institut für Bauphysik (IBP), Valley. 2010 habilitierte er im Fachgebiet Computational Building Physics. Prof. van Treeck ist Mitbegründer und spiritus rector der Konferenz BauSIM, die zweijährlich die „Simulationsgemeinschaft“ im deutschsprachigen Raum unter der wissenschaftlichen Leitung des deutsch-österreichischen Kapitels der IBPSA (International Building Performance Simulation Association) – zusammenführt. Die erste Veranstaltung fand unter dem Leitthema „Energieeffizienz von Gebäuden und Behaglichkeit in Räumen“ im Oktober 2006 an der TU München statt. Seit 2010 ist er Director-at-large im Vorstand der IBPSA.

Technische Regelsetzung VDI-Richtlinie 4650 Blatt 2 Bestimmung der Jahresheizzahl von Gas-Wärmepumpen Kurzverfahren zur Berechnung der Jahresheizzahl und des Jahresnutzungsgrads von gasbetriebenen Sorptionswärmepumpenanlagen sind bei der Ermittlung des Energieverbrauchs von elementarer Wichtigkeit. Die Jahresheizzahl beschreibt die energetische Qualität von Gas-Wärmepumpen. Die neue Richtlinie VDI 4650 Blatt 2 ermöglicht es die Jahresheizzahl zu berechnen. Die Richtlinie soll bereits vor der Entscheidung zur Anschaffung einer Gas-Wärmepumpen Klarheit über den Energieverbrauch schaffen und Grunddaten für die Ermittlung der Umwelt relevanz und die Wirtschaftlichkeit derartiger Anlagen liefern. Die Richtlinie gibt Herstellern, Handwerkern, Planern, Betreibern und Behörden ein einfaches Verfahren zur Förderungsbeurteilung an die Hand. Mit diesem Verfahren können sie die Jahresheizzahl und den Jahresnutzungsgrad von Wärmepumpen zur Raumheizung und Warmwasserbereitung berechnen. Herausgeber der Richtlinie VDI 4650 Blatt 2 „Kurzverfahren zur Berechnung der Jahresheizzahl und des Jahresnutzungsgrads von Sorptionswärmepumpenanlagen; Gas-Wärmepumpen zur Raumheizung und Warmwasserbereitung“ ist die VDI -Gesellschaft Energie und Umwelt (GEU). VDI Verein Deutscher Ingenieure e.V. VDI-Platz 1 40468 Düsseldorf Tel. +49(0)211/6214-315 Fax +49(0)211/6214-156 www.vdi.de

Neufassung DIN 68800 Holzschutz DIN 68800-1:2011-10 Teil 1: Allgemeines Änderungsvermerk Gegenüber DIN 52175:1975-01 und DIN 68800-1:1974-05 wurden folgende Änderungen vorgenommen: a) Zusammenfassung und Aktualisierung der bisher eigenständigen Normen; b) Übernahme aller allgemeinen Aussagen aus DIN 68800-3:1990-04; c) Berücksichtigung der in DIN EN 335-1 festgelegten Gebrauchsklassen; d) Überblick über Maßnahmen zum Schutz des Holzes ist aufgenommen; e) erweiterte Angaben zur natürlichen Dauerhaftigkeit (bisher nur Hinweise in Teil 3); f) Regelungen

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Technische Regelsetzung zur Auswahl von Schutzmaßnahmen sind aufgenommen; g) informativer Anhang A zu neuartigen Maßnahmen zum Schutzes des Holzes ist aufgenommen; h) Hinweise zur Planung von Holzschutzmaßnahmen für nichttragende Bauteile unter Berücksichtigung der vorgesehenen Nutzungsdauer als informativer Anhang E ergänzt. DIN 68800-2:2012-02 Teil 2 Vorbeugende bauliche Maßnahmen im Hochbau In dieser Norm sind vorbeugende bau liche Maßnahmen zur Sicherung der Dauerhaftigkeit von Bauteilen aus Holz oder Holzwerkstoffen festgelegt. Sie gilt in Verbindung mit DIN 68800-1 für die Errichtung von Neubauten sowie für die Modernisierung, Renovierung oder Instandsetzung von Bauwerken. Die Norm gilt für tragende Bauteile aus Holz und Holzwerkstoffen. Für nicht tragende Bauteile wird die Anwendung empfohlen. Bauliche Maßnahmen im Sinne dieser Norm sind eine wesentliche Voraussetzung für die dauerhafte Funktionstüchtigkeit einer Konstruktion. Sie können bei bestimmten äußeren Bedingungen allein ohne weitere Maßnahmen die Dauerhaftigkeit von Holz- und Holzwerkstoffbauteilen sicherstellen oder zum Erreichen einer niedrigeren Gebrauchsklasse führen. Dazu sind im Anhang A dieser Norm Ausführungsbeispiele aufgeführt. Durch die baulichen Maßnahmen nach dieser Norm wird auch eine unzuträgliche Feuchteänderung des Holzes und der Holzwerkstoffe vermieden und somit die Verformungen infolge Quellens und Schwindens in vertretbarem Maße gehalten und bezüglich dieser Verformungen die Brauchbarkeit der Konstruktion sichergestellt. Es wird unterschieden zwischen grundsätzlichen baulichen Maßnahmen und besonderen baulichen Maßnahmen. Grundsätzliche bauliche Maßnahmen sind in jedem Fall anzuwenden, auch dann, wenn sich dadurch die Zuordnung zu einer Gebrauchsklasse nach DIN 68800-1 nicht ändert. Durch die Anwendung von besonderen baulichen Maßnahmen nach Abschn. 6 bis 9 können Bauteile der Gebrauchsklasse GK 0 zugeordnet werden, sofern diese nicht allein nach Abschn. 5 die Zuordnung zu GK 0 erlauben. Für Holzwerkstoffe werden in Abschn. 10 die Anwendungsbereiche festgelegt. Änderungsvermerk Gegenüber DIN 68800-2:1996-05 wurden folgende Änderungen vorgenommen: a) Berücksichtigung der in DIN EN 335-1 festgelegten Gebrauchsklassen; b) Differenzierung zwischen grund-

sätzlichen baulichen Maßnahmen (Abschn. 5) und besonderen baulichen Maßnahmen (Abschn. 6 bis 9); c) Fest legungen in 5.2 „Feuchte im Gebrauchszustand“ wesentlich erweitert; d) bei den besonderen baulichen Maßnahmen zur Vermeidung eines Bauschadens durch Holz zerstörende Pilze in 6.2.2 bewitterte Bauteile ohne Erdkontakt berücksichtigt; e) nach 6.3b reicht auch der Einsatz von Brettschichtholz, Brettsperrholz, technisch getrocknetem Bauholz oder Holzwerkstoffen mit einer Holzfeuchte ≤ 20 % im Gebrauchszustand allein für sich aus, um einen Bauschaden durch Insekten zu vermeiden; f) in Abschn. 7 „Konstruktionsprinzipien für Außenbauteile, bei denen die Bedingungen der Gebrauchsklasse GK 0 erfüllt sind“ sind Deckenkonstruktionen über Außenluft sowie Hallenkonstruk tionen berücksichtigt; g) in Abschn. 8 „Konstruktionsprinzipien für Innenbauteile, bei denen die Bedingungen der Gebrauchsklasse GK 0 erfüllt sind“ sind Innenwände, Geschossdecken zwischen Räumen mit gleichen Klimabedingungen und Decken über Kellerräumen aufgenommen; h) hinsichtlich der Anwendungsbereiche von Holzwerkstoffen ist DIN EN 13986 in Abschn. 10 berücksichtigt; i) Verwendung von mit Holzschutzmitteln behandelten Holzwerkstoffplatten (früher Holzwerkstoffklasse 100G) im Rahmen der Norm nicht mehr erforderlich; j) Anhang A mit Beispielen für Konstruktionen, bei den Bedingungen der Gebrauchsklasse GK 0 erfüllt sind, aufgenommen. DIN 68800-3:2012-02 Teil 3 Vorbeugender Schutz von Holz mit Holzschutzmitteln Diese Norm gilt in Verbindung mit DIN 68800-1. Diese Norm regelt auch die Verwendung von vorbeugend geschützten Holz- und Holzwerkstoffprodukten mit CE-Kennzeichnung. Die Regelungen der Norm, die die Maßnahmen zum vorbeugenden Schutz mit Holzschutzmitteln betreffen, brauchen bei der Herstellung von vorbeugend geschützten Holzund Holzwerkstoffprodukten nach harmonisierten Normen nicht berücksichtigt zu werden. Die Norm enthält in Abschn. 8.2 besondere Anforderungen an den Schutz von tragenden Holzbauteilen und in Abschn. 8.3 Anforderungen an den Schutz von nichttragenden Hölzern. Anhang C enthält Hinweise zur Anwendung von Holzschutzmitteln bei nichttragenden Holzbauteilen mit anschließender Beschichtung. Für die Imprägnierung von Eisenbahnschwellen mit Kreosot und für die Imprägnierung von Leitungsmasten gelten andere Normen.

Änderungsvermerk Gegenüber DIN 68800-3:1990-04 und DIN 68800-5:1978-05 wurden folgende Änderungen vorgenommen: a) Aufteilung in Planung von Holzschutzmaßnahmen und Anforderungen an den Ausführenden; b) Trennung von Durchführung von Schutzmaßnahmen und Einsatzbereich; c) Übernahme der Definition der Gebrauchsklassen aus DIN EN 335-1; d) unterschiedliche Anforderungen an Maßnahmen zum Schutz von an tragenden und nichttragenden Holzbauteilen aufgenommen; e) Eindringtiefenklassen für tragende und nichttragende Holzbauteile festgelegt; f) Regelung zur Verwendung von vorbeugend geschützten Holz- und Holzwerkstoffprodukten mit CE-Kennzeichnung aufgenommen; g) vorbeugender chemischer Schutz von Holzwerkstoffen aus zurückgezogener DIN 68800-5 als normativen Anhang A integriert; h) Informativer Anhang C mit Hinweisen zu Holzschutzmaßnahmen bei beschichtetem Holz ergänzt. DIN 68800-4:2012-02 Teil 4 Bekämpfungs- und Sanierungs maßnahmen gegen Holz zerstörende Pilze und Insekten In dieser Norm sind Maßnahmen zur Bekämpfung eines Befalls durch Holz zerstörende Pilze und Insekten bei verbautem Holz und Holzwerkstoffen festgelegt. Diese Maßnahmen schließen die Behandlung des Mauerwerks gegen den Echten Hausschwamm ein. Verbautes Holz im Sinne dieser Norm sind sowohl tragende als auch nichttragende Bauteile. Die Norm gilt in Verbindung mit DIN 68800 Teile 1 bis 3. Ihre Anwendung auf andere Bereiche (wie Möbel, Einbauten, Kunstgegenstände und dergleichen) wird empfohlen. Bekämpfungsmaßnahmen gegen Termiten und Ameisen sind nicht Bestandteil dieser Norm. Diese Norm regelt nicht eventuell notwendige bauliche Maßnahmen zur Erhaltung oder Wiederherstellung der Standsicherheit im Zusammenhang mit Bekämpfungsmaßnahmen. Änderungsvermerk Gegenüber DIN 68800-4:1992-11 wurden folgende Änderungen vorgenommen: a) Abschn. 3 „Begriffe“ ist aufgenommen; b) Unterscheidung der Bekämpfungsmaßnahmen in Verfahren zur Regelsanierung und andere Verfahren; c) erstickend wirkende Gase zur Bekämpfung Holz zerstörender Insekten aufgenommen; d) elektrophysikalische Verfahren gegen begrenzten Insekten befall als Verfahren außerhalb der Regel sanierung in Abschn. 10 berücksichtigt; e) Heißluftverfahren zur Bekämpfung

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Technische Regelsetzung / Veranstaltungen des Echten Hausschwamms als Verfahren außerhalb der Regelsanierung in Anhang E beschrieben; f) Festlegungen zur Gütesicherung als Abschn. 13 ergänzt; g) Beispiele für die dauerhafte Kennzeichnung nach verschiedenen Bekämpfungsmaßnahmen als Anhänge A bis D aufgenommen.

Veranstaltungen Fassadentechnik und Glasbau 20. Februar 2013, Darmstadt Bemessung im Brandfall 09. Oktober 2013, Darmstadt Informationen/Anmeldung: Technische Universität Darmstadt Fg. Werkstoffe im Bauwesen, L5|06 Petersenstraße 12, 64287 Darmstadt Tel. +49(0) 6151/162244 Fax +49(0) 6151/165344 wib@massivbau.tu-darmstadt.de Bauingenieurweiterbildung zur Energiewende 07. März 2013, Essen Informationen/Anmeldung: Verband Beratender Ingenieure VBI Budapester Straße 31 10787 Berlin Tel. +49(0)260620 Fax +49(0)26062100 vbi@vbi.de www.vbi.de 39. Aachener Bausachverständigentage 2013: Bauen und Beurteilen im Bestand 15. und 16. April 2013, Aachen Informationen/Anmeldung: AIBau Theresienstraße 19, 52072 Aachen Fax +49(0)241/91050720 tagung2013@aibau.de www.aibau.de 14. Biberacher Forum Gebäudetechnik 2013 21. März 2013, Biberach Lehrgang zur DIN V 18599, inkl. Softwareschulung 22. bis 26. April 2013, Biberach

Informationen/Anmeldung: www.holzbauphysik-kongress.eu/ anmeldung sb13 munich: Implementing Sustainability – Barriers and Chances 24. bis 26. April 2013, München Themen: – Politik und Wirtschaft im Rahmen des Energiewandels – Förderkonzepte für nachhaltiges Bauen – Nachhaltige Regional- und Stadtplanung: neue Konzepte für die Planung und die Energieversorgung – Niedrigstenergie- und Plusenergiehauskonzepte für Neubauten und im Bestand – Methoden zur Planung und Bewertung von nachhaltigen Gebäuden unter Beachtung des Lebenszyklus gedankens – Innovative Materialien und Technologien für den Bausektor Information und Anmeldung: Technische Universität München Lehrstuhl für Bauphysik Arcisstraße 21 80333 München Tel. +49 (0)89/28923985 Fax +49 (0)89/28925759 kongress@bptum.de www.sb13-munich.com 8. Internationale BUILDAIR-Symposium: Luftdichtheit von Gebäuden, Thermografie und Lüftungssysteme in der Praxis 07. und 08. Juni 2013, Hannover

Informationen/Anmeldung: Karlsruhe Institute of Technology (KIT) Competence Center for Material Moisture (CMM) Hermann-von-Helmholtz-Platz 1 76344 Eggenstein-Leopoldshafen www.cmm.kit.edu Flachdachsanierungstage 2013 – Wissen auf dem Stand der Technik 08. Oktober 2013, Köln Informationen/Anmeldung: service@wolfin.com

Call for Papers Deutscher Bautechnik-Tag „Infrastruktur stärken – Zukunft sichern“ 11. und 12. April 2013, Hamburg Themen: – Aktuelle Baumaßnahmen im In- und Ausland – Akzeptanz und Bürgerbeteiligung – Bauprojekte in der Metropolregion Hamburg – Bauwerke für die Energiewende – Forschung, Entwicklung und Innovation – Instandhaltung und Erweiterung der Verkehrsinfrastruktur – Interaktion von Bau und Ökologie – Nachhaltige und energieeffi ziente Gebäude – Planung und zukünftige Projekte im In- und Ausland Abgabetermin für die PowerPoint-Datei des Vortrags: 25. 03. 2013

Informationen/Anmeldung: Energie- und Umweltzentrum am Deister GmbH Energie- und Umweltzentrum 1 31832 Springe Tel. +49(0)5044/9750 Fax +49(0)5044/97566 bildung@e-u-z.de www.e-u-z.de

Informationen/Anmeldung: Deutscher Beton- und Bautechnik- Verein E.V. Dipl.-Betriebsw. Anja Muschelknautz Kurfürstenstraße 129 10785 Berlin Tel. +49 (0)30/23609645 Fax +49 (0)30/23609623 muschelknautz@bautechniktag.de

Deutscher Mauerwerkskongress 2013: Mauerwerk – unter der Herausforderung des Klimawandels 19. September 2013, Berlin

2nd International Congress on Interior Insulation 12th and 13th April 2013, Dresden

Informationen/Anmeldung: anmeldung@akademie-biberach.de www.akademie-biberach.de/ anmeldung

Informationen/Anmeldung: TU Berlin/Fachgebiet Bauphysik und Baukonstruktionen Frau Christine Rothe Tel. +49 (0)30/31472141 Fax +49 (0)30/31472150

BAUPHYSIK FORUM 2013 – 4. Internationalen Holz[Bau]Physik-Kongress 18.–19. April 2013, Mondsee/Salzkammergut (A)

7. CMM-Tagung und 2. Herbstschule: Innovative Feuchtemessung in Forschung und Praxis 24. September 2013, Weimar

Conference subjects: – Interior insulation technology with regard to sustainability – and energy efficiency – Criteria and approval procedures for sustainable interior – insulations – Design and evaluation of structural and durability – behaviour of interior insulation – Rehabilitation, maintenance and recycling

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Veranstaltungen – Product development and innovative high performance – insulations – Renewable materials and application technologies – Demonstration objects including cultural heritage – buidings – National and European legal conditions – Education, standardization, future research and visions – Social, economic and environmental aspects Review and acceptance of paper: March 15, 2013 Information/Registration: Bernhard-Remmers-Akademie Jutta Gerdes (Secretary) Bernhard-Remmers-Straße 13 49624 Löningen, Germany Fax +49(0) 5432/83760 jgerdes@remmers.de CESBP 2013 – Central European Symposium on Building Physics September 9–11, 2013, Vienna/Austria Topics: – heat and mass transfer in building materials, building envelope, and whole buildings with special emphasis on models, experiments, and practice – buildings’ energy performance – indoor climate and thermal comfort – hygrothermal performance/moisture – air flow and pollutants transport – daylight and illumination engineering – building and room acoustics – urban physics – environmental impact and life-cycle assessment Deadlines: March 1st 2013, for full papers May 1st 2013, Review results of full papers June 1st 2013, for final papers and for earl registration Informationen/Anmeldung: cesbp2013@tuwien.ac.at International Conference on Sustainable Building Restoration and Revitalisation–2013 25th to 29th September 2013, Shanghai/China

Themes: – Topic I: Theory & Research: – Research on guidelines and standards for sustainable building restoration. – Research in timber, masonry and earthen structures & restoration theories. – Traditional restoration techniques and innovative materials. – Topic II: Designs & Planning: – Application of building physics in historic building conservation (energy saving, thermal insulation, – moisture, acoustics, fire etc.). – Maintenance and evaluation of interior climate of historic buildings. – Topic III: Practice & Case-study – Case study on sustainable building restoration. – Restoration and maintenance techniques of rural areas. – Training courses & Company Workshops on innovative materials and technology – Design concepts for restoration by calculate-tools to describe the performance of the building before and after restoration – Design concepts for building restoration include tests on site and in lab. – Application of class innovative materials for restoration. Abstract and presentation requirements: deadline before 1st March 2013 Informationen/Organizer: Contact Germany/Europe: WTA-International Mrs. Susanne Schneider Tel. +49(0)89/57869727 info@wta-international.org ENERGY FORUM on Solar Building Skins 05–06 November 2013, Bressanone/Italy Topics: – Multifunctional Building Skins – Holistic Concepts – Performance Criteria for Building Envelopes March 15: Deadline for submission of proposals Informationen/Organizer: ECONOMIC FORUM Elisabethstraße 91

880797 Munich, Germany Tel. +49(0)89/200004161 info@energy-forum.com

Messen/Kongresse 2. Darmstädter Ingenieurkongress: Bau und Umwelt 12. und 13. März 2013, Darmstadt Themen: – Betriebsfestigkeit im Bauwesen – Building Information Modeling (BIM) – Energetische Ertüchtigung im denkmalgeschützten Gebäudebestand – Entfernung von Mikroverunreinigungen aus Abwasser – Relevanz auch für Hessen? – Entwicklung ländlicher Räume – Glas und Kunststoffe im Bauwesen – Großbaustellen – Integrierte Optimierung von Bauverfahren, Logistik und Verkehr – Ingenieurmethoden im Brandschutz – Klima- und ressourcenschonendes Bauen mit Beton – Neue geodätische Verfahren zum Strukturmonitoring – Sanierung und Optimierung in der Wasserversorgung – Simulation – Smart Energy Cities – Urban mining – Vom Energiehaus+ zur Plusenergiesiedlung – Wasserbau – Wasserressourcenmanagement Informationen/Anmeldung: Technische Universität Darmstadt Fb. Bauingenieurwesen Petersenstraße 12 64287 Darmstadt Tel. +49(0) 6151/162244 Fax +49(0) 6151/165344 www.bauingenieurkongress.de AIA-DAGA 2013: Conference on Acoustics EAA Euroregio – EAA Winter School 18–21 March 2013, Merano/Italy Informationen/Anmeldung: Segreteria AIA c/o IMAMOTER-CNR Via Canal Bianco, 28 I-44124 Ferrara, Italien info2013@aia-daga.eu www.aia-daga.eu

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Arbeiten in … Vietnam „Gesten und Verhaltensweisen kommen anders ‚rüber‘ als im westlichen Kulturkreis.“ Fünf Fragen an Dipl.-Ing. Anke Hano (Projektleiterin INROS LACKNER AG)

Dipl.-Ing. Anke Hano Projektleiterin INROS LACKNER AG www.inros-lackner.de

Typisches Straßenbild

1. Bewässerungsanlagen für die vietnamesische Landwirtschaft – ist das nicht ein Projekt, für das man sich besonders gern einsetzt? Ich freue mich sehr, dass mir die INROS LACKNER AG als international tätiges Unternehmen die Gelegenheit bietet, dieses Projekt zu leiten, bei dem es um die Ernährungssicherheit für die Region geht. Durch die Optimierung der wasserwirtschaftlichen Infrastruktur soll der Ertrag der Reisfelder erhöht und damit letztendlich auch die Einkommenssituation der Landwirte verbessert werden. Als Projektsteuerer liegt für uns der Focus auf dem Management dieses Projektes. Es umfasst den Neubau von 8 und die Rehabilitation von 2 weiteren Pumpstationen, sowie den Neubau einer Universität mit 13.400 Studienplätzen für Wasserwirtschaftsingenieure. 2. Wie ist es ihrem Büro gelungen, auf dem vietnamesischen Markt Fuß zu fassen? Der Markteinstieg gelang über die Teilnahme an international ausgeschriebenen Wettbewerben der Vietnamesischen Regierung. Zusammen mit dem Hamburger Architekturbüro gmp – von Gerkan, Marg und Partner haben wir 2004 den Wettbewerb für das National Convention Center gewonnen. Auch die nachfolgenden Projekte, wie z. B. das Hanoi Museum, ein Ministerium und der Neubau des Vietnamesischen Parlaments, liefen über erfolgreiche Wettbewerbsteilnahme. Seit 2004 im Land aufgebaute, tragfähige Partnerschaften ermöglichten uns, an Ausschreibungen der Asiatischen Entwicklungsbank erfolgreich teilzunehmen. 2008 wurde dann eine lokale Tochtergesellschaft gegründet. Für mich ein Glücksfall, da mir meine Kollegen der INROS LACKNER LCC nun jederzeit mit Rat und Tat zur Verfügung stehen können. Ein herzlicher Dank geht auch an meine Kollegin Dr. Radegast, die das Projekt während der 6-monatigen Anlaufphase betreut und mir den Einstieg erheblich erleichtert hat. 3. Vietnam und Deutschland haben beide eine Vereinigungsgeschichte? Spielt das im täglichen Zusammenleben eine Rolle? Wenn man sagt, aus Deutschland zu kommen, führt das häufig zu der Nachfrage „Ost oder West?“. Auswirkungen auf Zusammenarbeit oder Miteinander hat das meines Erachtens nicht. Die Einflussfaktoren hierauf sind generell schwer einzuschätzen. Tagtäglich wird in verschiedensten Situationen deutlich, wie sehr ein jeder von uns geprägt ist von den Werten und Randbedingungen, mit denen er groß geworden und vertraut ist. Gesten und Verhaltensweisen kommen anders „rüber“ als im westlichen Kulturkreis. Dieses „anders“ zu spezifizieren und/oder Erklärungen dafür zu finden, braucht viel Zeit und ist wohl auch nicht immer möglich. Nichtsdestotrotz: Die Zusammenarbeit mit den lokalen Kollegen im Team ist mittlerweile so gut und weitgehend „normal“, dass ich manchmal vergesse, in Hanoi zu sein. 4. Projektplanung und Kommunikation – gibt es da für Sie auffällige Unterschiede zu Deutschland? Die sprachliche Verständigung ist ein wichtiger Aspekt. Unser Projektteam besteht derzeit aus 5 vietnamesischen Kollegen und mir. Je nach

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Pumpstation My Dong

WISSENSWERTES ZUM VIETNAMESISCHEN BAU-ARBEITSMARKT IM ÜBERBLICK: – erforderliche Papiere Reisepass – praktische Hinweise für Einreise und Alltag Die Einreise nach Vietnam als Tourist ist problemlos, es besteht Visumspflicht (max. 3 Monate). Für ein längerfristiges Visum ist eine Arbeitserlaubnis erforderlich. Diese zu erhalten ist ein langwieriger Prozess. Eine notariell bestätigte Übersetzung eines polizeilichen Führungszeugnisses nebst Original ist vorzulegen. Darüber hinaus hat sich der Antragsteller einem Gesundheitstest zu unterziehen. – offene Stellen in welchen Bereichen Die Förderung von Infrastrukturmaßnahmen ist rückläufig, der Fokus liegt jetzt mehr auf den Sektoren Gesundheit, Bildung und erneuerbare Energien. – Steuern Es besteht ein Doppelbesteuerungsabkommen mit Deutschland, die Höhe der Steuern in Vietnam ist vergleichbar mit denen in Deutschland.

Kantine

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Arbeiten_in_Vietnam_Arbeiten_in 21.01.13 07:50 Seite 2

Arbeiten in … Vietnam

Sonntagsspaziergang

Pumpstation KenhVang

Unterwegs zur Ortsbesichtig

Projektphase werden zusätzliche nationale oder internationale Experten temporär eingebunden. Die englische Verständigung im Team klappt reibungslos. Besprechungen in der Provinz werden auf vientamesisch gehalten. Dafür haben wir eine Übersetzerin im Team, dennoch wird die Einschätzung von Problemsituationen, Konfliktpotential oder Termin- und Kostenrisiken erschwert, da man selbst den Diskussionsverlauf nicht im Detail verfolgen kann. Eine interessante Kommunikationserfahrung. Außerdem gelten andere KommuniÜbersichtskarte Phu My kationsregeln. Kurze, prägnante Darstellungen oder Festlegungen sind nicht üblich, Sachverhalte werden intensiv diskutiert, dabei geht es in der Regel deutlich lauter zu, als bei uns. Die übergeordnete Projektplanung hat – wohl auch wegen einer anderen Projektstruktur – einen anderen Stellenwert als in Deutschland. Der Auftraggeber, bzw. die dem Landwirtschaftsministerium unterstellten Provinzverwaltungen sind deutlich intensiver in die Details eingebunden, als dies in Deutschland üblich ist. Die Terminplanung mit Darstellung „kritischer Pfade“ und langfristiges Ressourcenmanagement erfolgt durch die Projektsteuerung. 5. Was würden Sie jedem deutschen Planer für sein erstes Projekt in Vietnam raten? Geduld, Toleranz und Respekt. Die Ziele einer Planung sind in beiden Ländern die gleichen, der Weg zum Werkerfolg kann deutlich anders sein. Darauf muss man sich einlassen können. Ich habe gute Erfahrungen damit gemacht, sich zunächst selbst zurückzunehmen, zuzuhören und differenzieren zu lernen. Im fremden Kontext ist die Gefahr unangebrachter Verallgemeinerungen groß. Die Herausforderung besteht in der Gratwanderung, den eigenen Qualitätsstandard zu wahren, gemeinsame und eigene Ziele immer wieder zu fokussieren und den Weg zu überprüfen, erforderlichenfalls auch anzupassen.

an Sie n e nte ruf er ressa nd d u s o te un er in fügen ore i v r b rn n S t ü ve ibe selbs ngen Lese e r , n h u Sc n Sie rfahr sere 1-273 n 3 n e u we ands , sie 0) 470 l n 3 s 0 e Au hab el. ( .com t y .T Lus ellen wile @ t r zus bita le a t b

Sonntagsspaziergang

– interessante Links http://www.hanoi.diplo.de/ http://www.mpi.gov.vn/portal/page/portal/mpi_en http://www.vietnam.ahk.de/ http://www.adb.org/ http://www.worldbank.org/ http://www.kfw.de/

AUF EIN WORT Schlaglichter Hanoi: • Hanoi gleicht einem lebendig gewordenen Wimmelbilderbuch. Die Fahrt ins Büro ist das allmorgendliche erste Highlight des Tages. Da wird auf der Straße gekocht, gefrühstückt, Frühsport betrieben, Haare werden geschnitten, Fische gesäubert, Hackfleisch zubereitet und vieles mehr. • Die Vietnamische Sprache benutzt die lateinischen Buchstaben mit einigen Erweiterungen in Form von Akzenten und zusätzlichen Buchstaben. • Die Tagesdurchschnittstemperatur Anfang Januar liegt bei ungemütlichen 10° C. Geheizt wird, wenn überhaupt, nur über die Klimaanlage. Es ist üblich, dass während der kalten Jahreszeit in dicker Jacke und dickem Schal im Büro gearbeitet wird. • Es gibt keine ausländischen Zeitungen zu kaufen, online sind alle Zeitungen zu lesen. Beschränkungen im Internet habe ich nicht erlebt. • Westliche Lebensmittel aller Art sind in Hanoi zu bekommen, von Leberwurst über Müsli bis zu den einschlägigen deutschen und schweizerischen Markenschokoladen einschließlich Lübecker Marzipan. Chips gibt es in der Geschmacksrichtung „Seegras“. Statt Frühstücksbrötchen gibt es Klebreis mit Röstzwiebeln in ein Bananenblatt gewickelt. • Haupttransportmittel ist das Moped mit dem spielend fünfköpfige Familien, Schrankwände und mehrere 20 l-Kanister Wasser transportiert werden können. • Bemerkenswert ist der Erfindungsreichtum, sei es, dass eine Konservendose auch schon mal mit Hammer und Messer geöffnet werden kann, ein Fahrrad-Pannendienst, der bei Pannen per Handy gerufen werden kann oder das Moped-Tuning, das Sattelbezüge parat hält, die dank einer Netzoberfläche auch bei Regen trockenen Sitzkomfort garantieren.

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Stellenangebote & Weiterbildung

hohem

Karriere im Bauingenieurwesen

Ernst & Sohn Stellenmarkt · Oktober 2012

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Niveau

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Die Hochschule Koblenz mit ihren Standorten in Koblenz, Remagen und Höhr-Grenzhausen bietet Lehre und angewandte Forschung mit einem umfangreichen Präsenz- und Fernstudienangebot in den Bereichen Wirtschaft, Technik, Sozialwissenschaften und Freie Kunst. Derzeit studieren an der Hochschule Koblenz insgesamt rund 8.000 Studierende, die betreut werden von 150 Professorinnen/Professoren und ca. 250 Beschäftigten. Im Fachbereich Bauwesen ist für die Studiengänge Architektur („Bachelor of Arts“ und „Master of Arts“) am Standort Koblenz zum nächstmöglichen Zeitpunkt eine

Professur Bauphysik, klimagerechte Architektur und Entwerfen (Bes.-Gruppe W 2)

zu besetzen. Gesucht wird eine qualifizierte Persönlichkeit mit einem erfolgreich abgeschlossenen Studium der Architektur (Universität, vergleichbare Hochschule oder Fachhochschule, ausgenommen mit einem Bachelorgrad), die über ausgewiesene berufspraktische Erfahrungen im Themengebiet der ausgeschriebenen Professur und über eine besondere Befähigung zur wissenschaftlichen Arbeit (in der Regel nachgewiesen durch eine qualifizierte Promotion) oder über eine besondere Befähigung zur künstlerischen Arbeit auf dem Gebiet der Architektur verfügt. Die Bewerberin oder der Bewerber soll über pädagogische Eignung, nachgewiesen in der Regel durch praktische Lehrerfahrung, sowie eine Bauvorlageberechtigung verfügen. Besondere Leistungen bei der Anwendung oder Entwicklung wissenschaftlicher Erkenntnisse und Methoden in einer mindestens fünfjährigen beruflichen Praxis, von der mindestens drei Jahre außerhalb der Hochschule ausgeübt sein müssen, sind in den Bereichen Bauphysik, Planung und Umsetzung energieeffizienter Bauprojekte, klimagerechte Ausbildung von Gebäudehüllen sowie Planung innovativer Gebäudehüllen nachzuweisen. Die Lehraufgaben umfassen die Ausbildung in den Studiengängen Architektur in den Bereichen Bauphysik, klimagerechte Ausbildung der Gebäude und der Gebäudehüllen, Konstruktion von innovativen Gebäudehüllen, die Integration des Vorgenannten in den Entwurfs- und Gestaltungsprozess sowie Entwerfen. Erwartet wird auch die Betreuung von Entwurfsaufgaben und Thesen.

Stellenausschreibung Beim Regierungspräsidium Stuttgart, Landesamt für Denkmalpflege, ist im Referat 83 – Bau- und Kunstdenkmalpflege, Restaurierung baldmöglichst eine auf 2 Jahre befristete Stelle einer Bauphysikerin/eines Bauphysikers (FH oder Bachelor) bzw. Bauingenieurin/Bauingenieur (FH oder Bachelor) zu besetzen. Die Möglichkeit einer Verlängerung auf ein drittes Jahr ist, sofern Haushaltsmittel bereitgestellt werden, nicht ausgeschlossen. Der Aufgabenbereich umfasst •�die Entwicklung konkreter und exemplarischer Lösungsvorschläge für denkmalverträgliche energetisch ausgerichtete Sanierungsmaßnahmen •�die Bewertung und Auswertung von Einzelmaßnahmen in den Regierungsbezirken •�die Entwicklung Praxis bezogener Leitlinien für die praktische Denkmalpﬂege und das Partnerfeld an unterschiedlichen Denkmalgattungen •�Mitwirkung bei Themenkolloquien zur Vermittlung technisch-bauphysikalischer und konservatorischer Grundlagen

Die Bereitschaft zur interdisziplinären Zusammenarbeit und zur Übernahme von Vorlesungen in anderen Studiengängen wird erwartet; englische Sprachkenntnisse sind wegen der zunehmenden Internationalisierung erwünscht.

Vorraussetzung für die Bewerbung ist ein abgeschlossenes Hochschulstudium (FH oder Bachelor) der Bauphysik oder des Bauingenieurwesens mit einer Vertiefung im Bereich Bauphysik. Erwartet werden praktische Erfahrungen als Bauphysiker/in oder als Energieberater/in und Nachweise über den Umgang mit historischem Baubestand. Im Zusammenhang mit der EU-Gesetzgebung und den ENormen sind Englischkenntnisse erwünscht. Vorausgesetzt wird ein sicherer Umgang mit Rechen- und Simulationsprogrammen wie WUFI.

Das Land Rheinland-Pfalz und die Hochschule Koblenz vertreten ein Betreuungskonzept, bei dem eine hohe Präsenz der Lehrenden am Hochschulort erwartet wird.

Die Vergütung erfolgt nach Entgeltgruppe 10 TV-L. Dienstort ist Esslingen.

Die Mitarbeit bei der Betreuung der Studiengänge sowie in der Selbstverwaltung wird vorausgesetzt.

Einstellungsvoraussetzungen für die Professorinnen/Professoren ergeben sich aus § 49 Hochschulgesetz (HochSchG) Rheinland-Pfalz. Schwerbehinderte werden bei gleicher Eignung bevorzugt eingestellt. Die Hochschule Koblenz gilt als vorbildliche Wissenschaftseinrichtung, die in ihrer Organisation für Chancengleichheit und Vereinbarkeit von Beruf und Familie eintritt. Die Hochschule fördert Frauen in Wissenschaft und Forschung. Qualifizierte Wissenschaftlerinnen werden ausdrücklich zur Bewerbung aufgefordert. In der vorgesehenen Besoldungsgruppe sind Frauen unterrepräsentiert. Der Gleichstellungs- und Frauenförderplan der Hochschule Koblenz sieht hier eine Erhöhung des Frauenanteils vor. Senden Sie bitte Ihre aussagefähigen Bewerbungsunterlagen in Papierform (keine Datenträger, keine Internet-links etc.) bis zum 08.03.2013 (Datum des Poststempels) an den Prodekan des Fachbereichs Bauwesen der Hochschule Koblenz, Konrad-Zuse-Str.1, 56075 Koblenz. Die Hochschule Koblenz ist als familienfreundliche Hochschule zertifiziert und verfügt über eine hochschulnahe Kindertagesstätte. Darüber hinaus bieten wir Ferienfreizeitangebote für Kinder von Hochschulangehörigen.

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Die Stelle ist grundsätzlich teilbar. Dies setzt jedoch voraus, das geeignete Bewerber/innen zur gleichmäßig verteilten Dienstleistung zur Verfügung stehen. Frauen werden ausdrücklich zur Bewerbung aufgefordert. Schwerbehinderte Bewerber/innen werden bei entsprechender Eignung bevorzugt berücksichtigt. Ihre schriftliche Bewerbung mit den üblichen Unterlagen richten Sie bitte bis zum 28. 02. 2013 unter Angabe des AZ: 12-0305.3-1-8/ 0095 an das Regierungspräsidium Stuttgart, Referat 12, Sachgebiet 2, Ruppmannstraße 21, 70565 Stuttgart. Ansprechpartner zur Stellenausschreibung ist der Leiter des Referats 83, Herr Landeskonservator Prof. Dr. Michael Goer (Tel. 0711-904 45170; michael.goer@rps.bwl.de). Wir bitten um Verständnis, dass wir aus Verwaltungs- und Kostengründen die Bewerbungsunterlagen leider nicht zurücksenden können. Daher empfehlen wir Ihnen, keine Bewerbungsmappen zu verwenden und jegliche Bewerbungsunterlagen in Kopie einzureichen. Unterlagen nicht berücksichtigter Bewerber/innen werden nach Abschluss des Auswahlverfahrens vernichtet. Von Bewerbungen per E-Mail bitten wir abzusehen.

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Ernst & Sohn Stellenmarkt · Februar 2013

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Die Berner Fachhochschule BFH ist eine anwendungs orientierte Hochschule. 28 Bachelor-, 20 Masterstudien gänge, fundierte Forschungsdienstleistungen und ein breites Weiterbildungsangebot geben ihr Profil. Praxisnah, interdisziplinär und in einem internationalen Kontext.

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Geotechnik

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Q Das komplexe und technisch hoch spezialisierte Gebiet der Geotechnik bildet ein Fundament des Bauingenieurwesens, dessen Herausforderungen heute u. a. im innerstädtischen Infrastrukturbau, im Bauen im Bestand oder in der Gestaltung tiefer, in das Grundwasser hineinreichender Baugruben liegen. Das vorliegende Buch befähigt Bauingenieure, grundbauspezifische Probleme zu erkennen und zu lösen. Prägnant und übersichtlich führt es insbesondere in alle wichtigen Methoden der Gründung und der Geländesprungsicherung ein. Auch Themen wie Frost im Baugrund, Baugrundverbesserung und Wasserhaltung werden behandelt. Dem Leser werden bewährte Lösungen für viele Fälle sowie eine große Zahl von Hinweisen auf weiterführende Literatur an die Hand gegeben. Alle Darstellungen basieren auf dem GERD MÖLLER aktuellen technischen Regelwerk. Geotechnik Die Darstellung der Berechnung Grundbau und Bemessung anhand zahlreicher 2., vollständig überarbeitete Beispiele ist eine unverzichtbare Aufl age - April 2012 Orientierungshilfe in der täglichen 546 S., 431 Abb., 44 Tab., Br. Planungs- und Gutachterpraxis. € 55,–*

betonbauten verfügt. Als anerkannte Führungspersönlichkeit in den Bereichen Baustatik und Massivbau ist er / sie bereit, Industrie und Behörden als Experte / Expertin zu beraten und zu unterstützen.

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ISBN: 978-3-433-02976-3

zeichnis der bearbeiteten Projekte sind bis zum 15. März 2013 beim Präsidenten der ETH Zürich, Prof. Dr. Ralph Eichler, ein-

Wissenschaftlerinnen ausdrücklich zur Bewerbung auf. Die ETH Zürich ist eine verantwortungsbewusste Arbeitgeberin mit fortschrittlichen Arbeitsbedingungen. Sie setzt sich für Chancengleichheit, für die Bedürfnisse von Dual Career Paaren und für die Vereinbarkeit von Familie und Beruf für Frauen und Männer ein.

Q Das Buch vermittelt alle wichtigen Aspekte über den Aufbau und die Eigenschaften des Bodens, die bei der Planung und Berechnung sowie bei der Begutachtung von Schäden des Systems Bauwerk-Baugrund zu berücksichtigen sind. Schwerpunkte sind die Baugrunderkundung, die Ermittlung von Bodenkennwerten im Labor, sowie die Behandlung von Setzungs- und Tragfähigkeitsnachweisen einschließlich des Erddrucks. Der Unterstützung des Verständnisses dienen zahlreiche Beispiele, die nachGERD MÖLLER vollziehbar erläutert werden. Alle Geotechnik Darstellungen basieren auf dem Bodenmechanik aktuellen technischen Regelwerk. 2., aktualis. u. erw. Auflage Das Buch ist eine unverzichtbare 2012. ca. 450 S., ca. 300 Orientierungshilfe in der täglichen Abb., Br. ca. € 55,–* Planungs- und Gutachterpraxis.

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und Forschung zu erhöhen, fordert die ETH Zürich qualifizierte

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ragenden Einrichtungen der ETH Zürich unterstützt. Es wird

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Bauphysik-Ingenieur/in Ihr Arbeitsplatz Die EGS-plan GmbH ist ein seit über 20 Jahren erfolgreiches Ingenieurbüro mit Sitz in Stuttgart und derzeit rd. 60 Mitarbeitern. In unseren Projekten legen wir großen Wert auf die integrale Planung von Gebäudehülle und Gebäudetechnik. Dies erfolgt bei EGS-plan durch die enge Zusammenarbeit zwischen unseren Abteilungen für Bauphysik, Technische Gebäudeausrüstung und Energiedesign.

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Wir planen bundesweit Wohn- und Nichtwohngebäude sowohl im Neubau als auch in der Sanierung. Unsere Projekte zeichnen sich durch hohe energetische Ziele und die Nutzung erneuerbarer Energiequellen aus. In Zusammenarbeit mit mehreren Hochschulen arbeiten wir an national und international geförderten Forschungsprojekten im Kontext von Gebäuden bis hin zu Stadtquartieren. Ihre Aufgaben · Führung und Weiterentwicklung der Bauphysik-Abteilung mit ca. 8 Mitarbeitern · Projektleitung in den Bereichen Therm. Bauphysik, Bau- und Raumakustik, Schallimmissionsschutz · Unterstützung der Geschäftsleitung bei Akquisition und Repräsentation des Unternehmens Ihre Qualifikation

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■ Baustoffe erfüllen ihren Zweck, wenn sie richtig aus gewählt, hergestellt und verarbeitet sind. Dieses Buch behandelt die wichtigsten Werkstoffe des Konstruktiven Ingenieurbaus. Es führt zunächst grundlegend in das mechanische Werkstoffverhalten, die rheologischen Modelle, die Bruchmechanik und die Transportmechanismen poröser Stoffe ein. Systematisch werden dann die Baustoffe jeweils mit ihrer Zusammensetzung und ihrem mechanischem Verhalten als Funktion von Belastungsart und -geschwindigkeit, Temperatur und Feuchte beschrieben. Großer Wert wird dabei auf eine vergleichende Betrachtung gelegt. Somit schlägt das Buch die Brücke zwischen Grundlagenwissen und Baupraxis, über welche konstruktive Ingenieure gehen können, denn sie sind verantwortlich für die richtige und optimale Auswahl und Verarbeitung der Werkstoffe, manchmal auch für deren Herstellung HANS-WOLF REINHARDT (z.B. Beton). Eine gründliche Kenntnis des mechanischen, Ingenieurbaustoffe physikalischen und chemischen Verhaltens ist hierfür 2., überarbeitete Auflage, Voraussetzung. 2010. 394 Seiten, 313 Abb., 69 Tab., Gb.  59,–* ISBN 978-3-433-02920-6

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Fugenabdichtung im Ingenieurbau Leitung und Moderation Dipl.-Ing., Dipl.-Ing. (FH) Peter J. Gusia Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) Bergisch Gladbach Termin 12. März 2013 Ort TAW – Tagungszentrum Bochum Innovationspark Springorum Mehr Informationen über diese Veranstaltung finden Sie auf unserer Hompage www.taw.de unter Kongresse / Fachtagungen Haben Sie noch Fragen? Dann freuen wir uns auf Ihren Anruf oder Ihre E-Mail. Ihr Ansprechpartner für TAW-Symposien ist:

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Updates für Ihre Karriere Seminare und Symposien der Technischen Akademie Wuppertal e. V. 20.-21.2.2013 Beläge, Abdichtungen, Korrosionsschutz von Brückenbauwerken und Parkhäusern 25.-26.2.2013 Betoninstandsetzung 27.-28.2.2013 Planung und Ausführung hochwertig genutzter „Weißer Wannen“ 5.-6.3.2013 Aktuelle Entwicklungen im Asphaltstraßenbau 12.3.2013 LEED® Green Associate (GA) 12.3.2013 Fugenabdichtung im Ingenieurbau 17.-18.4.2013 Betonrohrvortrieb in der Ver- und Entsorgungstechnik 22.4.2013 Vermeidbare Baumängel – Teil III 23.4.2013 Vermeidbare Baumängel – Teil IV 24.-25.4.2013 Behälter und Becken aus Spann- und Stahlbeton 25.4.2013 Baugrunduntersuchung im Hoch- und Tiefbau 10.6.2013 Unterhaltung von Kanälen – Teil I 11.6.2013 Unterhaltung von Kanälen – Teil II

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Aktuelle Entwicklungen im Asphaltstraßenbau Leitung und Moderation Dipl.-Ing. Manfred Eilers Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) Bergisch Gladbach Termin 05. - 06. März 2013 Ort TAW – Tagungszentrum Bochum Innovationspark Springorum Mehr Informationen über diese Veranstaltung finden Sie auf unserer Hompage www.taw.de unter Kongresse / Fachtagungen Haben Sie noch Fragen? Dann freuen wir uns auf Ihren Anruf oder Ihre E-Mail. Ihr Ansprechpartner für TAW-Symposien ist:

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Impressum Die Zeitschrift „Bauphysik“ veröffentlicht Beiträge aus den Bereichen Wärme, Feuchte, Schall, Brand, Stadtklima sowie der Licht- und Solartechnik, der Heizungs-und Lüftungstechnik, der rationellen Energieanwendung mit besonderem Bezug auf die bauphysikalischen Grundlagen, auf innovative Lösungen bei Berechnung, Konstruktion und Ausführung und damit im Zusammenhang stehende Fragestellungen. Verlag: Wilhelm Ernst & Sohn – Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG Rotherstraße 21, D-10245 Berlin Tel. +49(0)30/47031-200, Fax +49(0)30/47031-270, info@ernst-und-sohn.de, www.ernst-und-sohn.de

Die in der Zeitschrift veröffentlichten Beiträge sind urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, insbesondere das der Übersetzung in fremde Sprachen, vorbehalten. Kein Teil dieser Zeitschrift darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form – durch Fotokopie, Mikrofilm oder andere Verfahren – reproduziert oder in eine von Maschinen, insbesondere von Datenverarbeitungsanlagen, verwendbare Sprache übertragen werden. Auch die Rechte der Wiedergabe durch Vortrag, Funk oder Fernsehsendung bleiben vorbehalten. Warenbezeichnungen, Handelsnamen oder Gebrauchsnamen, die in der Zeitschrift veröffentlicht werden, sind nicht als frei im Sinne der Markenschutz- und Warenzeichen-Gesetze zu betrachten, auch wenn sie nicht eigens als geschützte Bezeichnungen gekennzeichnet sind. Hinweise zu Manuskripten: www.ernst-und-sohn.de/service Aktuelle Bezugspreise: Die Zeitschrift „Bauphysik“ erscheint mit 6 Ausgaben pro Jahr. Neben „Bauphysik print“ steht „Bauphysik online“ im PDF-Format über den Online-Dienst Wiley Online Library im Abonnement zur Verfügung.

Amtsgericht Charlottenburg HRA 33115B Persönlich haftender Gesellschafter: Wiley Fachverlag GmbH, Weinheim Amtsgericht Mannheim: HRB 432736 Geschäftsführer: Karin Lang, Bijan Ghawami Steuernummer: 47013/01644, Umsatzststeueridentifikationsnummer: DE 813496225

Alle Preise sind Nettopreise. Das Abonnement gilt zunächst für ein Jahr. Es kann jederzeit mit einer Frist von drei Monaten zum Ablauf des Bezugsjahresendes schriftlich gekündigt werden. Das Abonnement verlängert sich um ein weiteres Bezugsjahr ohne weitere schriftliche Mitteilung. Spezielle Angebote und Probeheftanforderungen unter: www.ernst-und-sohn.de

Wissenschaftlicher Beirat: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Nabil A. Fouad, Leibniz Universität Hannover, Hannover Univ.-Prof. em. Dr.-Ing. habil Dr. h. c. mult. Dr. E. h. mult. Karl Gertis, Holzkirchen Univ.-Prof. Dr.-Ing. Gerd Hauser, TU München, München Prof. Dr.-Ing. Hans-Gerd Meyer, Berlin

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Chefredakteurin: Dipl.-Ing. Claudia Ozimek Tel.: +49(0)30/47031-262, Fax: +49(0)30/47031-227, claudia.ozimek@wiley.com Redaktion und techn. Herstellung Sonderdrucke: Petra Franke Tel.: +49(0)30/47031-279, Fax: +49(0)30/47031-227, petra.franke@wiley.com

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Die Preise sind gültig bis 31. August 2013. Irrtum und Änderungen vorbehalten.

Produkte und Objekte: Dr. Burkhard Talebitari-Tewes Tel.: +49(0)30/47031-273, Fax: +49(0)30/47031-229, burkhard.telebitari-tewes@wiley.com Gesamtanzeigenleitung Verlag Ernst & Sohn: Fred Doischer Anzeigenleiterin: Sigrid Elgner Tel.: +49(0)30/47031-254, Fax: +49(0)30/47031-230, sigrid.elgner@wiley.com

Bei Änderung der Anschrift eines Abonnenten sendet die Post die Lieferung nach und informiert den Verlag über die neue Anschrift. Wir weisen auf das dagegen bestehende Widerspruchsrecht hin. Wenn der Bezieher nicht innerhalb von 2 Monaten widersprochen hat, wird Einverständnis mit dieser Vorgehensweise vorausgesetzt. Periodical postage paid at Jamaica NY 11431. Air freight and mailing in the USA by Publications Expediting Services Inc., 200 Meacham Ave., Elmont NY 11003. USA POSTMASTER: Send address changes to Geotechnik, c/o Wiley-VCH, 111 River Street, Hoboken, NJ 07030.

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Herstellung: NEUNPLUS1 GmbH – Berlin

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Testabonnement: Sollten Sie innerhalb von 10 Tagen nach Erhalt des dritten Heftes nichts von uns hören, bitten wir um Fortsetzung der Belieferung für ein weiteres Jahr / 6 Ausgaben. Jahresabonnement: Gilt zunächst für ein Jahr und kann jederzeit mit einer Frist von drei Monaten zum Ablauf des Bezugszeitraums schriftlich gekündigt werden. Sollten wir keinen Lieferstopp senden, bitten wir um Fortführung der Belieferung für ein weiteres Jahr. Bei Bestellung eines print + online-Abonnements steht die Zeitschrift auch im PDF-Format im Online Portal Wiley Online Library zur Verfügung.

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Bauphysik 35 (2013), Heft 1

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Vorschau

Themen Heft 2/2013

Matthias Pazold, Florian Antretter Hygrothermische Gebäudesimulation gekoppelt mit Multizonen-Gebäudedurchströmungsmodell Der natürliche oder mechanisch ange triebene Luftwechsel mit dem Außen klima und zwischen definierten Zonen innerhalb des Gebäudes trägt erheblich zu einem energetisch sinnvollen und be haglichen Raumklima bei. Dieser Bei trag gibt einen Einblick in das o. g. Ver fahren und ein Beispiel.

Sebastian Burhenne, Sebastian Herkel Methodik zur Unsicherheitsbewertung und Sensitivitätsanalyse für thermische Gebäudesimulationen Unsichere Randbedingungen haben einen großen Einfluss auf das Ergebnis von Gebäudesimulationen. Trotzdem werden Unsicherheitsbewertungen und Sensitivitätsanalysen bisher selten durch geführt. Hier wird eine Methodik vorge stellt. Eva Anlauft, Uwe Meinhold, Moritz Wagner, Urs Wenzel Die energetische Sanierung der Stadtbibliothek Nürnberg – Entwicklung des Energie- und Klimakonzepts mittels hygrothermischer Gebäudesimu lation Besonders anspruchsvoll ist die Unter bringung von wertvollen mittelalterli chen Handschriften, Inkunabeln, alten Drucken und Karten im Luitpoldhaus. Die strengen Raumklimabedingungen sollen mit passiven baulichen Maßnah men und minimierter Anlagentechnik gewährleistet werden.

Alfons Huber, Azra Korjenic, Thomas Bednar Kastenfenster-Optimierung im historischen Bestand Die technisch gestützte Klimatisierung in Museen hat im Vergleich zu „passi ven“ Konzepten nicht zur Verbesserung im historischen Baubestand geführt, sondern zu einer Kostensteigerung im Bereich der Haustechnik und im laufen den Betrieb. An der Neuen Burg Wien wurden daher Maßnahmen an Fenstern durchgeführt und bewertet. Franco Michel, Katalin Kranitz, Peter Niemz Untersuchungen zum Einfluss der Verklebung auf den Diffusionswiderstand bei Einsatz von glutinbasierten Klebstoffen Tendenziell weisen die Verklebungen auf Basis tierischer Rohstoffe höhere Gleichgewichtsfeuchten und geringere Sorptionswiderstände als solche aus den heute meist eingesetzten synthetischen Klebstoffen auf. (Änderungen vorbehalten)

Ingenieurholzbau nach Eurocode 5

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■ Die bauaufsichtliche Einführung der Eurocodes (EN) mit ihren zugehörenden nationalen Anhängen bildet den Rahmen dieses Buches. Die Normen EC0 - DIN EN 1990-2010-11 „Grundlagen“, EC1 - DIN EN 1991-2010-12 „Einwirkungen“ und EC5 - DIN EN 1995-2010-12 „Holzbau“ werden ausführlich erklärt und in einer umfangreichen Beispielsammlung erläutert. Die Führung der Nachweise in den Grenzzuständen der Tragfähigkeit und der Gebrauchstauglichkeit werden an Beispielen sowohl theoretisch als auch in ingenieurmäßigen Berechnungen aufgezeigt. Behandelt werden sowohl Einzelquerschnitte als auch zusammengesetzte Bauteile und Tragwerke im Querschnitt kontinuierlich oder veränderlich, gekrümmt und gebogen, wie auch im Querschnitt konstant oder ausgeklinkt, als Einzelnachweis oder unter Spannungskombination. Ausführlich werden Verbindungen mit metallischen Verbindungsmitteln in BerechnungsbeiKLAUSJÜRGEN BECKER, spielen dargestellt. Den Nachweisen der Stabilität, der KARL RAUTENSTRAUCH Nachgiebigkeit von Verbindungen, der Durchbiegung Ingenieurholzbau nach und des Schwingungsverhaltens werden weitere Beispiele Eurocode 5 gewidmet. Konstruktion, Berechnung, Einen besonderen Schwerpunkt bilden zusätzlich zum Ausführung Ingenieurholzbau ausführliche Konstruktions- und 2012. 332 S., 169 Abb., Ausführungshinweise für Planer und Konstrukteure zu 246 Tab., Br. den Themen Brand, Erdbeben, Trockenbau und Holz€ 55,–* Verbundbau. ISBN 978-3-433-03013-4

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Matthias Mitterhofer, Christoph van Treeck Temperaturfeldberechnung aus einer Particle Image Velocimetry (PIV)- Messung einer natürlichen Auftriebsströmung Auf Basis einer laseroptischen Mess methode können Temperaturfeldinfor mationen in Fluiden ermittelt und Wär meübergangskoeffizienten berechnet werden. Grundlage für die Lösung der Energietransportgleichung stellen Ge schwindigkeitsfelder aus stereoskopi schen PIV-Messungen dar.

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…und aktuell an anderer Stelle Heft 3/2013 Minimierte Konstruktion, maximale Effekte – Zum Entwurf des neuen Hauptbahnhofs Stuttgart

A10 8-streifiger Ausbau mit Lärmschutzwänden mit Photovoltaik

Noord/Zuidlijn Amsterdam – Technische Innovationen beim Bau eines innerstädtischen Metrotunnels

Tiger and turtle

Brückenertüchtigung – eine notwendige Voraussetzung für ein zuverlässiges Fernstraßennetz

Überwerfungsbauwerke VleuGel, Utrecht Bauzustandsanalyse und Instandsetzung von Nagelbindern

Geotechnische Herausforderungen auf der Aus- und Neubaustrecke Nürnberg–Ebensfeld (VDE 8.1.1)

Heft 3/2013 Zur Planung und Ausführung von Ziegeldecken nach neuer DIN 1045-100 mit Eurocode 2

Bemessungskonzept für wärmedämmende Plattenanschlüsse mit Druckschublagern

Plattenbalken mit Querkraft-Verstärkung aus Textilbeton unter nicht vorwiegend ruhender Belastung

Bericht

Effizientes Vorspannen von CFK-Lamellen

Bauausführung von Betontragwerken nach DIN EN 13670 und DIN 1045-3 – Auswirkungen auf die Praxis

Heft 1/2013 Österreichische Tunnelbaukompetenz verbindet das Kaschmirtal und Indien Influence of the geological structure on the displacements measured ahead of the Šentvid tunnel face in small diameter exploratory tunnel

16. Jahrgang Dezember 2012 ISSN 1432-3427 A 43283

Mauerwerk Zeitschrift für Technik und Architektur

Eisenbahntunnel für das Umfahrungsprojekt Tiflis, Georgien Design of SCL Structures in London

Heft 1/2013 Erläuterungen zur Haftscherfestigkeit Untersuchungen zum Verbund von Bewehrung in Fugen und Aussparungen

– Schlingrippen des Gewölbes der Erasmuskapelle im Berliner Schloss – Mechanischen Eigenschaften von Lehmsteinmauerwerk – Zweischalige Außenwände: Kommentar zur DIN 18195 –

Thirra Tunnel Albanien - mit einem klaren Konzept zum Erfolg

Ansätze zur Ermittlung der horizontalen Einwirkungen auf Schubwände

Einfluss der Carbonatisierung auf Festigkeit und Struktur von Porenbeton

Neues Verfahren zur Prüfung der Druckfestigkeit von bestehendem Mauerwerk

Stahlbau

82. Jahrgang Januar 2013 ISSN 0038-9145 A 6449

Heft 3/2013 Die Waldschlößchenbrücke in Dresden – Ausführungsplanung des Überbaus Elbebrücke Schönebeck – Schrägseilbrücke mit Litzenbündelseilen (Teil 1): Konstruktion und Ausführung

– Nachhaltigkeitsbewertung von Stahl- und Verbundbrücken – Integrierte Verbunddecken für nachhaltige Stahlbauten – Stahl als Konstruktionswerkstoff für nachhaltige Bürogebäude – Energieoptimierte Gebäudehüllen für den Industriebau – Potenziale der Stahl(leicht)bauweise beim Bauen im Bestand – Nachhaltigkeitsbewertung stählerner Tragwerke Erneuerbarer Energien – Überdachung in Monocoque-Bauweise für den ZOB Schwäbisch Hall – Groutverbindungen bei Monopilegründungen von Offshore-WEA

Neue Technologie für die Hängebrücke über die Saar in Mettlach Brückenfahrbahn aus Sandwich Plate System (SPS) Ersatzneubau für die Schnettkerbrücke in Dortmund – Teil 2: Bauausführung

Brücken in VFT-WIB-Bauweise mit Verbunddübelleisten Zum Tragverhalten von MCL-Verbunddübel unter statischer und zyklischer Belastung Tragverhalten von plattenartigen Tragelementen mit ein- und mehrlagigen Faltungen aus Feinblech Berichte Theory and Case Study of Vehicle Load Identification Based upon BWIM of Steel Truss

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Der FOAMGLAS® Effekt FOAMGLAS® INSIDE Innendämmung für Neubau und Sanierung Erfordern Außenwände im Neubau oder erhaltenswerte Fassaden bestehender Gebäude Energieeinsparung ‚von innen’, so sind besondere bauphysikalische Anforderungen zu beachten, um Tauwasserbildung im Wandquerschnitt und damit Schimmelbildung zu vermeiden. Insbesondere ist eine funktionierende luftdichte Dampfsperre auf der warmen Seite der Außenwand erforderlich, damit die Wasserdampfdiffusion von innen nach außen unterbrochen ist.

Deutsche FOAMGLAS® GmbH, Zentrale Technik, Freiheitstraße 11, 40699 Erkrath Tel. 0211 929635-21, Fax 0211 929635-35, info@foamglas.de, www.foamglas.de

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