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Artikel

Computational Fluid Dynamics für Gebäude

Anonim

CFD Strömungssimulation für Architektur & Gebäudetechnik (Kann 2019).

Einführung

Computational Fluid Dynamics (CFD) ist eine Technik, mit der das Verhalten von Flüssigkeiten modelliert wird.

In der Gebäudeplanung wird sie typischerweise verwendet, um die Bewegung und Temperatur der Luft in Räumen zu modellieren. Dies ist wichtig, da Konstrukteure vor dem Bau eines Gebäudes die internen Bedingungen untersuchen können, um Optionen zu testen und die effektivsten Lösungen auszuwählen.

CFD kann zur Modellierung verwendet werden:

  • Der thermische Komfort der Bewohner.
  • Die Verteilung der Umgebungsbedingungen innerhalb eines Raumes.
  • Die Wirksamkeit der Gebäudetechnik (z. B. die Positionierung von Lufteinlässen und -auszügen oder Kühlern)
  • Die Folgen von Feuer (z. B. Ausbreitung von Hitze und Rauch).
  • Die Wirksamkeit der natürlichen Belüftung (wie der Stapeleffekt).
  • Der Wärmestau in Fachräumen wie Serverräumen.
  • Die Positionierung von Sensoren. In einem hohen Raum kann sich die Temperatur an der Oberseite zum Beispiel stark von der Temperatur an der Unterseite unterscheiden. Dies kann wichtig sein, wenn Temperatursensoren positioniert werden, die sich auf das Gebäudemanagementsystem beziehen. Andernfalls arbeiten Heizen und Kühlen möglicherweise unnötig.

CFD kann auch verwendet werden, um die Auswirkungen eines neuen Gebäudes auf die Luftbewegung in der Umgebung eines Standortes zu untersuchen, und es wurde verwendet, um anderes "fließendes" Verhalten, beispielsweise die Bewegung von Personen, zu modellieren.

Simulationen werden normalerweise für eine Reihe verschiedener Szenarien ausgeführt, bei denen das Verhalten unter verschiedenen Auslastungsstufen, unter verschiedenen klimatischen Bedingungen, bei verschiedenen Betriebsarten der Gebäudetechnik mit unterschiedlichen Öffnungen zwischen den Räumen usw. getestet wird. Dadurch kann ein Gesamtbild darüber erstellt werden, wie sich ein Gebäude unter normalen Betriebsbedingungen sowie unter ungewöhnlichen oder extremen Bedingungen verhält.

Wie es funktioniert

CFD arbeitet, indem ein Leerzeichen in ein Gitter unterteilt wird, das eine große Anzahl von 'Zellen ' enthält. Das Gitter der Zellen ist von Grenzen umgeben, die die Flächen und Öffnungen simulieren, die den Raum einschließen. Die Temperatur der Grenzen, die Luftbewegung an den Öffnungen und die Lufttemperatur in den Zellen werden dann auf einen Startzustand eingestellt, von dem erhofft ist, dass er nahe bei denen liegt, von denen erwartet wird, dass sie sich innerhalb des Raums befinden. Diese Bedingungen können unter Verwendung eines Grenzmodells bestimmt werden, das basierend auf Klima- und Materialdaten Randbedingungen vorhersagt. Je genauer das Grenzmodell ist und je näher sich die Startbedingung an der vom Modell vorhergesagten Endposition befindet, desto schneller läuft das Modell und desto genauer ist die Ausgabe wahrscheinlich.

Die Software simuliert dann den Luftstrom von jeder Zelle zu den umgebenden Zellen und den Wärmeaustausch zwischen den Grenzflächen und den benachbarten Zellen. Nach einer Reihe von Iterationen kommt das Modell in einen stationären Zustand, der die tatsächlichen Luftgeschwindigkeiten und die Verteilung der erwarteten Temperaturen innerhalb des Raums darstellt.

Zunehmend kann CFD-Software mit anderen Modellen interagieren, z.

  • Grenzmodelle.
  • Klimatische Modelle.
  • Gebäudemodelle
  • Modelle für den Energieverbrauch und die CO2-Erzeugung.
  • Strahlende Modelle.
  • Tageslicht- und Beleuchtungsmodelle.
  • CAD- und BIM-Software.

Einschränkungen

CFD kann in den richtigen Händen ein sehr nützliches Werkzeug sein, und die Ausgabegrafik ist sehr überzeugend und verführerisch. Die Ergebnisse hängen jedoch stark von der Kenntnis der Person ab, die das Modell aufstellt und die Ergebnisse interpretiert. Dies ist ein zunehmendes Problem, da CFD-Software einfacher zu bedienen ist und von Menschen mit wenig Verständnis für das mathematische Modell, auf dem sie basiert, leichter zu bedienen ist.

Wenn die Eingabeinformationen falsch sind, werden auch die Ausgabeinformationen angezeigt. CFD ist kein Ersatz für den gesunden Menschenverstand.

Ein wichtiger Aspekt bei der Entwicklung eines CFD-Modells ist die Generierung des Zellgitters. Je größer die Anzahl der Zellen ist, desto genauer ist die Simulation, aber desto länger dauert die Ausführung des Modells. In einigen Teilen eines Raums hat die Verwendung einer großen Zellengröße möglicherweise keinen signifikanten Einfluss auf die Ergebnisse, jedoch in sensiblen Bereichen, z. B. an komplexen Grenzen oder in denen ein großer Temperaturunterschied zwischen einer Grenzfläche und der benachbarten Luft herrscht Dabei ist es wichtig, dass die Zellen so klein sind, wie es rechnerisch praktisch ist. Zum Beispiel ist eine sehr kleine Zellengröße (ein feines Gitternetz) erforderlich, um den Abwind richtig zu simulieren, der neben einem kalten Fenster auftreten kann. Wenn ein solcher Abwind nicht simuliert wird, wird der Wärmeaustausch zwischen dem Fenster und dem von ihm umschlossenen Raum unterschätzt.

In Räumen, in denen die Flächen, die den Raum umgeben, nicht kartesisch sind (dh sie sind gekrümmt oder eher schräg als rein horizontal oder vertikal), ist es wichtig, dass das Gitter körpergerecht ist (dh den Konturen der Flächen folgt). Anstatt kartesisch (in einer Reihe von Schritten), wird ansonsten die Luftgeschwindigkeit an der Oberfläche unterschätzt und die Wärmeübertragung zwischen dem Raum und seinen umgebenden Oberflächen wird unterschätzt. Dies ist besonders wichtig, wenn zwischen der Oberfläche und der angrenzenden Luft ein großer Temperaturunterschied besteht.

Wenn CFD verwendet wird, um den Benutzerkomfort in einem Raum vorherzusagen, ist es wichtig, dass sowohl die Lufttemperatur als auch die Strahlungstemperatur berücksichtigt werden. CFD selbst modelliert nur Lufttemperatur und Luftgeschwindigkeit, jedoch ist rund die Hälfte des Beitrags zu unserem thermischen Komfort in Gebäuden von der Strahlungswärmeübertragung, dh der Temperatur der umgebenden Oberflächen, abhängig. Einige CFD-Software ist in der Lage, Strahlungseinflüsse auf die von Insassen zu fühlenden Temperaturen aufzunehmen.

Fazit

In den richtigen Händen kann CFD einen nützlichen Beitrag zum Verständnis der voraussichtlichen Leistung eines Gebäudes leisten. Die korrekte Verwendung von CFD ist jedoch zeitaufwändig und kann teuer sein, und unter vielen Umständen gibt es andere, direktere analytische Techniken, die geeigneter sind.

In Fällen, in denen einzigartige oder komplexe Umstände vorliegen und das Verständnis des Fließverhaltens für den Erfolg des Gebäudes entscheidend ist, kann CFD die einzige verfügbare Option sein.

[Bild: Analyse des Einflusses eines Daches auf die Windgeschwindigkeiten auf Spurenniveau für das Londoner Olympiastadion 2012.]


- Greg Harvie 07:56, 9. Juni 2014 (BST)

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