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An algorithm for the automatic reduction of multi-zone models for thermal building simulation

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[Quelle: https://repositum.tuwien.ac.at]

Gebäudesimulationen zur Vorhersage von Temperaturverläufen in Gebäuden haben in den letzten Jahren an Bedeutung zugenommen. Zunehmend wird nicht nur der Temperaturverlauf in einem einzelnen Gebäude sondern auch in Gebäudegruppen oder ganzen Städten unter Berücksichtigung der jeweiligen Wechselwirkungen simuliert. RC Modelle zählen zu den Modelltypen die für Langzeit- und Multizonensimulationen am häufigsten verwendet werden. Neben den Vorteilen hinsichtlich der Rechenzeit verfügen sie auch über eine klare Zuordnung von Gebäudeteilen und Zonen zu den einzelnen Gleichungen des zugrundeliegenden Differentialgleichungssystems. Alle Parameter und Teile können im Gleichungssystem identifiziert werden und haben im Rahmen der Simulation eine klar definierte physikalische Bedeutung. Der eindeutige Zusammenhang zwischen dem Modell und dem dazugehörigen Gleichungssystem kann auch das Design von intuitiv zu bedienenden User Interfaces erleichtern. Die Lösung des Gleichungssystems kann durch einen proprietären oder einen vorgefertigten Gleichungslöser erfolgen. In der vorliegenden Dissertation wurde auf Python und seine SciPy Bibliothek zurückgegriffen. Diese Bibliothek enthält leistungsfähige Implementierungen für algebraische Operationen und Gleichungslöser. Die Bedeutung von Mess-, Steuerungs- und Regelungstechnik hat in den letzten Jahren ebenfalls zugenommen. Sowohl zeit- als auch temperaturgesteuerte Regelungen oder eine Kombination aus beiden können heutzutage problemlos umgesetzt werden. Eine Möglichkeit für die Berechnung der idealen Heiz- und Kühllasten bzw. der Heiz- und Kühlenergie wird ebenfalls in der vorliegenden Arbeit präsentiert. Trotz der im Vergleich z.B. zu Finiten-Differenzen-Modellen üblicherweise eher geringen Anzahl an Gleichungen müssen selbst RC Modelle gelegentlich vereinfacht werden um eine Langzeitsimulationen von Multizonenmodellen in absehbarer Zeit zu ermöglichen. Daher sind Methoden um Vereinfachungen zu erzielen nach wie vor gefragt und Gegenstand der Forschung. Mehrere Möglichkeiten zur Vereinfachung werden in der gegenständlichen Arbeit präsentiert und können gemeinsam und einzeln angewendet werden. Die Zusammenfassung mehrerer Wände in eine einzelne Wand kann bei gleichbleibender Genauigkeit der Ergebnisse zu signifikanten Verkürzungen der Laufzeit führen. Automatische Modellreduktionen können entweder auf eine schnelle Berechnung von Energieverbräuchen oder von Temperaturverläufen abzielen. In beiden Fällen hängt die Entscheidung über die Zusammenlegung von Zonen von der Ähnlichkeit der Temperaturverläufe im periodisch-stationären Zustand ab. Die Berechnung des periodisch-stationären Zustands ermöglicht die Elimination von Einflüssen durch Anfangsbedingungen auf das Temperaturverhalten einzelner Zonen.

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Bücher, Broschüren

Melita Tuschinski
Energieausweise für die Praxis
GEG 2020: Ausweise erstellen, lesen, nutzen und aushängen. Leitfaden für Energie-Experten, Eigentümer und Immobilienwirtschaft
4., vollst. überarb. Aufl.
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Kai Schild
Wärmebrücken
Detailwissen Bauphysik
Berechnung und Mindestwärmeschutz
2018, X, 320 S., 53 SW-Abb., 93 Farbabb. 240 mm, Hardcover
Springer

 

 

Das Fachbuch aus der Reihe Detailwissen Bauphysik beschäftigt sich mit den thermischen und hygrischen Besonderheiten bei Bauteilanschlüssen und geht im Besonderen Fragestellungen der Modellbildung bei Wärmebrückenberechnungen nach. Dazu werden dem Leser dabei auftretende Probleme näher gebracht und Lösungsvorschläge aufgezeigt. Ein kritischer Blick auf die derzeitigen Anforderungen des Mindestwärmeschutzes nach DIN 4108-2 leistet einen wertvollen Beitrag zur aktuellen Diskussion um die Thematik der Schimmelpilzbildung.

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Fernando Acosta Urrea, Frank Dehn, Lothar Stempniewski
Influence of elevated temperatures up to 100 °C on the mechanical properties of concrete
Karlsruher Reihe Massivbau, Baustofftechnologie, Materialprüfung, Band 84
Dissertationsschrift
2018, 272 S., graph. Darst. 24 cm, Softcover
KIT Scientific Publishing

 

 

Experiments to characterize the effects of moisture content and temperature on the mechanical properties of concrete were conducted. Based on these experiments, a new overall material model capable of predicting the mechanical behaviour of concrete subject to elevated temperatures up to 100 °C was developed. The material model estimates the time, temperature and moisture dependency of the compressive and tensile strength, creep and shrinkage of concrete.

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Achim Hamann
Energieeffiziente Nichtwohngebäude
Grundlagen, Beispiele und Bilanzierungsansätze nach DIN V 18599
2017, 296 S., 78 Abb. und 23 Tab., Hardcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

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Ekbert Hering, Bernd Schröder
Wärmeschutz und Heizungstechnik
essentials
Ein Überblick
2015, IX, 33 S., 22 SW-Abb. 210 mm, Softcover
Springer

 

 

Das Werk ist ein Auszug aus "Springer Ingenieurtabellen". Das Handbuch hat sich mit seinen Praxistabellen als Ergänzung zu "Hütte: Das Ingenieurwissen" bewährt. Beim Wärmeschutz im Hochbau werden Maßnahmen getroffen, um in beheizten Gebäuden ein für Menschen behagliches Raumklima zu schaffen. Grundlegend ist hierzu die Wärmebewegung durch Bauteile, die es zu berechnen gilt. Mindestanforderungen an den Wärmeschutz im Winter sind nach DIN geregelt. Im Bereich der Heizungstechnik unterscheidet man Einzelheizgeräte für Wohnräume, größere Räume und Hallen. Für die Zentralheizung gibt es je nach Wärmeträger unterschiedliche Systeme. Heizkörper und Heizflächen treten in verschiedenen Ausführungen auf. Neben dem hierfür notwendigen Rohrnetz sind noch Armaturen und meist Umwälzpumpen nötig. Die Wärmeerzeugung erfolgt in Heizkesseln, eventuell unterstützt durch Wärmepumpen und Sonnenkollektoren. Auch Fernheizungen haben sich stellenweise etabliert.

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Forschungsberichte

Bauforschungsberichte, Kurzberichte, Dissertationen, Hinweise auf laufende und abgeschlossene Forschungsvorhaben sowie Bauforschungs-Informationen aus dem deutschsprachigen Raum können Sie sich kostenlos/kostenpflichtig als Download direkt auf den Bildschirm holen oder online auf Papier bestellen.
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Matthias Pahn, Dirk Bayer, Sven O. Krumke, Christian Caspari, Tillman Gauer, Dirk Miguel Schluppkotten, Michael Holzhauser, Torsten Weiler
Großdemonstrator - Multifunktionale Betonfertigteile für energetisch nutzbare Gebäudetragstrukturen. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3135
2019, 100 S., 64 Abb. u. 28 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Das Forschungsprojekt befasst sich mit der Entwicklung und Umsetzung des Großdemonstrators Smallhouse IV. Hierbei wird ein Gebäudeenergiekonzept erarbeitet, welches die Gebäudemasse aktiv zur Wärmespeicherung heranzieht. Ähnlich wie in Solaraktivhäusern soll die gesamte Wärmebereitstellung mittels einem minimalen primärenergetischen Bezug gewährleistet werden. Hierfür soll jedoch die solare Wärme nicht in überdimensionalen Wasserspeichern, sondern in der vorhandenen Gebäudemasse gespeichert werden. Zu diesem Zweck werden thermisch aktivierte Betonfertigteile entwickelt, die neben ihren statischen Aufgaben auch die thermischen Funktionen Wärmedämmung, Wärmespeicherung und Temperierung übernehmen. Diese Bauteile werden als multifunktionale Betonfertigteile bezeichnet.

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Stefan Schäfer, Robert Burgaß
Quantifizierung und Reduzierung von feuchtigkeitsbedingten Wärmeverlusten im denkmalgeschützten Gebäudebestand. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3110
2019, 255 S., 20 Abb. u. 9 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Gerade im Gebäudebestand liegen häufig Wandkonstruktionen vor, die durch einen ungenügenden oder fehlenden Feuchteschutz und durch starke Schwankungen der Bauteiltemperaturen geprägt sind. Die Reduzierung der Feuchte- und Temperaturbeanspruchungen bietet hier die Chance, auch ohne Dämmstoffe, eine energetische Ertüchtigung durchzuführen. Die Ziele des Forschungsprojektes waren daher, die Wechselbeziehungen zwischen feuchtigkeitsbelastetem Ziegelmauerwerk und den daraus resultierenden Wärmeverlusten zu untersuchen, Änderungen der Dämmeigenschaften und des Energieaufwands zum Beheizen zu quantifizieren sowie geeignete Ertüchtigungsmaßnahmen auszuarbeiten und zu analysieren, die zu einer messbaren Reduzierung von feuchtigkeitsbedingten Wärmeverlusten führen.

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Norbert Sack, Manuel Demel
Auswirkungen der Überarbeitung der EN ISO 10077-2 auf die wärmetechnischen Nachweise von Rollladenkästen - Erarbeitung eines Vorschlages zur Anpassung der Rollladenkastenrichtlinie
Bauforschung, Band T 3368
2019, 64 S., 2 Abb. u. 39 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Im Rahmen der Revision der EN ISO 10077-2 wurden aus technischer Sicht im Wesentlichen die Regelungen für die Behandlung von Lufthohlräumen geändert. Dies hat beim Rollladenkasten Auswirkungen auf die Ermittlung des Wärmedurchlasswiderstandes des Rollraumes. Aktuell liegen keine Vergleichswerte bzw. Erfahrungen vor, mit welchen Auswirkungen durch die Änderung der Algorithmen zu rechnen ist. Daher ist auch nicht bekannt, in welcher Größenordnung sich Änderung bei den wärmetechnischen Eigenschaften von Rollladenkästen bei der Umstellung des Nachweisverfahrens auf die neue EN ISO 10077-2 ergeben würden. Ziel des Forschungsvorschlages war es daher vergleichende Berechnungen der wärmetechnischen Eigenschaften von Rollladekästen durchzuführen. Durch diese Berechnungen können die Auswirkungen der "neuen" EN ISO 10077-2 auf die wärmetechnischen Kennwerte von Rollladenkästen ermittelt werden.

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Oliver Kornadt, Svenja Carrigan, Tim Schöndube, Stefan Winter, Klaus Mindrup, Gerhard Knieriemen, Franz Loderer, Juliane Nisse, Hans R. Peters, Saif Rashid, Christof Richter, Torsten Schoch, André Staniszewski
Dynamisch thermisch-hygrisches Verhalten von Massivbaukonstruktionen: Entwicklung eines Wärmespeicherfähigkeitsindex für Gebäude aus Mauerwerk und thermisch aktivierbare Massivholzelemente. Abschlussbericht
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3129
2019, 189 S., 192 Abb. u. 80 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Die thermische Speicherfähigkeit von Baukonstruktionen kann erheblichen Einfluss auf den Energieverbrauch und die thermische Behaglichkeit von Gebäuden haben. Im Zuge immer genauerer Berechnungs- und Bilanzierungsverfahren ist es notwendig, auch den Einfluss der Wärmespeicherfähigkeit eines Gebäudes auf den Energiebedarf zu berücksichtigen. Hier setzt das vorliegende Forschungsprojekt mit einer Untersuchung und Bewertung der Auswirkungen der Wärmespeicherfähigkeit auf das thermische Verhalten von Gebäuden an. Außerdem wird eine Berücksichtigung der Wärmespeicherfähigkeit auch für moderne Holzkonstruktionen immer wichtiger. Ziel des Forschungsprojektes war zum einen die Entwicklung eines Wärmespeicherfähigkeitsindex für Gebäude, welcher es ermöglicht, ohne aufwendige Simulationsrechnungen Aussagen bezüglich des Einflusses der Wärmespeicherfähigkeit auf den Nutzenergiebedarf für Heizen, das sommerliche Überhitzungspotential und die thermische Behaglichkeit treffen zu können.

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C.-A. Graubner, Tilo Proske, Jochen Zeier
Entwicklung einer thermischen Entkoppelung von Stahlbetonwänden im Wand-Deckenknoten
Abschlussbericht.
Forschungsinitiative Zukunft Bau, Band F 3134
2019, 152 S., 87 Abb. u. 48 Tab., Softcover
Fraunhofer IRB Verlag

 

 

Gegenwärtig werden Wände im Übergangsbereich von unbeheizten zu beheizten Räumen nicht oder nur in Teilbereichen gedämmt. Dadurch entstehen erhebliche Wärmebrücken. Durch einen innovativen Wand-Decken-Anschluss könnte eine Verbesserung der wärmedämmenden Eigenschaften des Gebäudes erreicht werden. Derzeit gibt es für Wand-Decken-Anschlüsse im Stahlbetonbau kein geeignetes integrales System mit Dämmwirkung und lastabtragender Funktion. Daher sollten im Forschungsvorhaben die wissenschaftlichen Grundlagen für Anschlüsse zur thermischen Entkoppelung zwischen Stahlbetonwänden und Decken erarbeitet werden. Hinsichtlich der Methodik gliedert sich das Vorhaben in drei Teilbereiche: den theoretischen Teil, den experimentellen Teil sowie den analytischen Teil. Grundlage zur Anwendbarkeit des Wandanschlusses bildet die Erfüllung der bauphysikalischen Einflüsse. Wesentlich ist hierbei die Vorgabe aus dem Brandschutz, dass kraftübertragende Bereiche nur aus nichtbrennbaren Materialien bestehen dürfen. Mithilfe einer numerischen Berechnung zur Bestimmung des Wärmeflusses am Wand-Decken-Knoten konnte die einzuhaltende Wärmeleitfähigkeit für den Wandanschluss bestimmt werden.

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Zeitschriftenartikel

Folgende Literaturnachweise stammen aus der Datenbank RSWB^®plus. Die Datenbank unterstützt schnell und zielsicher Fachleute aus Planungsfirmen, Industrie und Forschung, sowie Lehrkräfte und Studierende in der akademischen Ausbildung bei Nachweis und Beschaffung von Fachinformation zum Planen und Bauen.

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Liebhart, Heiko; Cremers, Jan; Mirbach, David; Marx, Hannes
Wärmetransport und andere bauphysikalische Aspekte im Membranbau
Stahlbau, 2020

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Hallschmid, Brigitte
Wärmebrücken-Beiblatt: Das ist neu. DIN 4108 Beiblatt 2:2019-06
EnEV Baupraxis, 2020

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Ludwig, Horst-Michael; Remus, Ricardo
Alternatives to heat curing. Accelerating concrete hardening
BFT International, 2020

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Schlott, Siegfried; Schlott, André
Bewertung der Oberflächentemperaturdifferenzen bei Fußbodenheizung in einem Raum. Mangel oder zulässige Sollwertabweichung?
Der Sachverständige, 2019

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Stephan, Dietmar
Multifunctional lightweight concrete elements with inhomogeneous properties (MultiLC)
BFT International, 2019

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