CFD-Simulation

Perfektes Raumklima im Berliner Schloss

| Redakteur: Monika Zwettler

Im Humboldtforum im Berliner Schloss genießen die Behaglichkeitskriterien vor allem in sensiblen Gebäudebereichen allerhöchste Priorität.
Im Humboldtforum im Berliner Schloss genießen die Behaglichkeitskriterien vor allem in sensiblen Gebäudebereichen allerhöchste Priorität. (Bild: Ansys)

In der historischen Mitte der deutschen Hauptstadt, im wiederaufgebauten Berliner Schloss, entsteht im Laufe dieses Jahrzehnts mit dem Humboldtforum ein einzigartiges Zentrum für Kunst, Kultur, Wissenschaft und Bildung mit internationaler Ausrichtung. Den besonderen Anforderungen an das Raumklima wurde man durch Simulation Herr.

Äußerlich wird das Humboldtforum an Bautradition und Geschichte erinnern, innen ist es ein zeitgenössischer und hochmoderner Ausstellungs-, Veranstaltungs- und Kulturort für alle BürgerInnen, in dem Behaglichkeitskriterien vor allem in den sensiblen Gebäudebereichen allerhöchste Priorität eingeräumt wird. Schließlich stellen der Museumsbetreiber wie auch die Leihgeber besonderer Stücke spezielle Anforderungen an das Raumklima. Dieses wird mit einem Strömungssimulationsprogramm unter Berücksichtigung solarer Einstrahlung untersucht.

„Die Grundlage für die CFD-Simulationen bildet ein auf Basis vorliegender Planungsunterlagen erstelltes numerisches Modell. Dieses wurde entsprechend den Angaben des Auftraggebers geometrisch dimensioniert, vernetzt und anschließend unter Beachtung der aktuellen Randbedingungen numerisch berechnet“, erläutert Projektleiter Donald Stubbe vom Institut für Luft- und Kältetechnik (ILK Dresden). „Für die Definition der relevanten Umgebungsbedingungen, d.h. die Implementierung von Klimadaten, wurden die des Testreferenzjahres für Berlin verwendet. Die CFD-Strömungssimulationen im vorliegenden Fall wurden stationär, dreidimensional sowie vollturbulent unter Nutzung von Ansys CFD (Fluent) durchgeführt.“

Von der Numerik zu praxisrelevanten Optimierungshinweisen

Mit den CFD-Simulationen für das Humboldtforum beauftragte das Bundesamt für Bauwesen und Raumordnung (BBR) die Experten vom ILK Dresden. Der ILK-Hauptbereich Luft- und Klimatechnik entwickelt neuartige Lösungen für energieeffiziente und innovative Produkte und Verfahren im weiten Bereich der Technologien zur Luftbehandlung. In diesem Rahmen umfassen die ILK-Technologien zur Luftbehandlung das Gebiet der technischen Gebäudeausrüstung/Raumlufttechnik, insbesondere die Heizungstechnik, Lüftungstechnik, Klimatechnik sowie den Bereich der Luftreinhaltung mit der Luftfiltertechnik und Abgasreinigung.

In das Projekt ‚Humboldtforum‘ ist der ILK-Hauptbereich Luft- und Klimatechnik bereits seit 2010 involviert. Repräsentativ wurden numerische Strömungssimulationen für den Luftraum von verschiedenen Ausstellungsräumen bzw. Portalen und Verbundräumen im Berliner Schloss – Humboldtforum durchgeführt. Dabei handelte es sich um Variationen der Raumlufttechnischen Anlage (RLT), insbesondere der Zuluftführung und deren Parameter. Das Ziel der Simulationen war, für die vom Bauherrn definierten Nutzungsfälle und den zugehörigen Bewertungskriterien die Funktionalität des Kühl-, Heiz- und Lüftungssystems aufzuzeigen. Aus den Ergebnissen können praxisrelevante Optimierungshinweise abgeleitet werden.

Überprüfung der Planung raumklimatischer Anlagen und Positionen

Für den Aufenthaltsbereich der Personen sind die wesentlichen Behaglichkeitskriterien die Raumtemperatur, die Strömungsgeschwindigkeit der Raumluft (bzw. das Zugluftrisiko nach ISO 7730) sowie die Raumluftfeuchte. Deren Grenzwerte und ggf. abweichende Kriterien laut konservatorischen Maßgaben sind als Vorgaben des Bauherrn bzw. der Nutzer anzusehen. Diese Kriterien sollten für Veranstaltungsräume und museale Bereiche im besonderen Maße eingehalten werden. Die CFD-Simulation der Technischen Gebäudeausrüstung (Klimatechnik) dient im Kontext mit der Bauphysik und den Umgebungsbedingungen – Witterung, angrenzende Räume, Technik, Personen, Nutzungsszenarien, etc. – als Werkzeug zur Überprüfung der Planung raumklimatischer Anlagen und Positionen hinsichtlich ihrer Eignung für die Einhaltung der geforderten Behaglichkeits- bzw. konservatorischen Kriterien.

Korrektur der Anlagentechnik

Zu betrachten war vor allem das Worst-Case-Szenario, also im Sommer die höchsten und im Winter die niedrigsten Temperaturen – jeweils inklusive solarer Einstrahlung. In beiden Fällen sollte die Anlage so funktionieren, dass die Rahmenbedingungen eingehalten werden. Sogar Windkanalmessungen wurden an einem entsprechenden Modell gemacht, um Parameter als Eingangsgrößen für die Simulation der Gebäudeumströmung zu haben. Als Ergebnis einiger numerischer Simulationen erfolgte eine Korrektur der Anlagentechnik (speziell in den Räumen).

Die Software von Ansys konnte im Rahmen des Projektes ‚Humboldtforum‘ ihre Stärken ausspielen. „Ansys Software gilt für die Simulation von Raumluftströmungen in Kopplung mit Wärmetransport und im besonderen Maße der Implementierung solarer Einstrahlung mit entsprechendem Strahlungsmodell in Ansys Fluent als komplexes und robustes sowie validiertes Softwarepaket, das auch wissenschaftlich anerkannt ist“, unterstreicht Donald Stubbe. „Ergänzend braucht man aber natürlich auch ein gewisses Know-how als Strömungsmechaniker. Denn letztlich sind die Ergebnisse nur so gut wie die Eingabegrößen.“ Voraussichtlich ab 2019 können Besucher live im Berliner Schloss die Vorteile der ‚Vorarbeit‘ von Ansys genießen – denn dann wird das Humboldtforum eröffnet. (mz)

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