nt 04 | 2021 Gebäudesimulation
Neues Berechnungsmodell für die solaren Einträge bei Gebäuden
Als Folge der modernen Bauweise, welche sich durch hohe Dämmstandards einerseits und durch einen hohen Verglasungsanteil andererseits auszeichnet, ist die Bedeutung von solaren Gewinnen durch transparente Flächen in der Fassade in den letzten Jahrzehnten deutlich gestiegen. Die solaren Einträge stellen - je nach Nutzungsart - häufig sogar die maßgebliche Komponente in der Gebäudeenergiebilanz dar. Im Gegensatz zu den in letzter Zeit stark verfeinerten Methoden zur Beschreibung der Energieströme über Transmission und Luftwechsel, sind die Berechnungsmodelle für den solaren Eintrag immer noch sehr ungenau. Eine genaue Kenntnis ist für die energieeffiziente Planung und Steuerung von Gebäuden jedoch unerlässlich. Durch eine bautechnische und gebäudetechnische Optimierung von solaren Einträgen lässt sich - insbesondere in mittleren Breiten - gleichzeitig sowohl der Heizwärmebedarf als auch der Kühlenergiebedarf senken. Zudem lassen sich durch intelligent geplanten und gesteuerten Sonnenschutz auch die angesichts des Klimawandels vermehrt auftretenden Überhitzungssituationen in Gebäuden verhindern oder reduzieren.
Die bisher eher kruden Berechnungsansätze für die solaren Einträge, welche auch in modernen Gebäudesimulationsprogrammen zur Anwendung gelangen, begründen sich in der Komplexität der bestimmenden physikalischen (optischen) Prozesse und Randbedingungen. Jeder Versuch, die aktuell angewendeten, erheblich vereinfachenden Annahmen zu verfeinern, führt unmittelbar in das sprichwörtliche Rabbit-Hole. Ich habe mich im Rahmen meiner Dissertation „RadiCal“ genau dieser Herausforderung gestellt - mich quasi in den Kaninchenbau vorgewagt - und versucht, eine physikalisch möglichst exakte und detaillierte Methode zu entwickeln, welche gleichzeitig jedoch eine einfache und praktische Anwendung erlauben soll.
Modellierung mittels physikalisch basiertem Monte-Carlo Raytracing
Zentraler Bestandteil des Verfahrens ist eine digitale, optische „Vermessung“ des zu beschreibenden Objekts auf Basis eines Monte-Carlo-Raytracing-Verfahrens. Ähnlich wie bei - aus der Computergrafik bekannten - hochwertigen „Renderings“ wird hierbei der Strahlengang des Lichts auf physikalisch möglichst korrekte Weise nachgebildet. Ausgangspunkt hierfür ist ein exaktes, dreidimensionales CAD-Modell des Prüflings, zum Beispiel ein beschattetes Fenster.
Den im Modell enthaltenen Oberflächen werden unterschiedliche Materialen zugeordnet. Im Vergleich zu anderen Verfahren werden die optischen Eigenschaften der Materialen auf eine sehr detaillierte Weise abgebildet. Dies gestattet eine sehr akkurate Modellierung der physikalischen Prozesse, da das gesamte solare Spektrum vom Ultravioletten, über das sichtbare Licht bis hin zum Infraroten berücksichtigt wird. Auf diese Weise werden wellenlängenabhängige Effekte der Transmission, Reflexion, Absorption und Brechung des Lichtes implizit exakt abgebildet. Auf Grund des gewählten Beschreibungsmodells werden hierbei auch Polarisationseffekte des Lichts mitberücksichtigt. Polarisationseffekte spielen immer dann eine wichtige - und bisher kaum berücksichtigte - Rolle, wenn mehrere Reflexionen oder Transmissionen in Folge auftreten, wenn also z. B. ein Sonnenstrahl zuerst auf der Jalousienlamelle reflektiert wird und dann auf die Fensterscheibe trifft.
Das entwickelte Raytracing-Verfahren ist außerordentlich rechenintensiv, da hierbei Milliarden von Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen und Richtungen durchgerechnet werden müssen. Das „Scannen“ eines Objekts dauert folglich mehrere Stunden. Sind diese Berechnungen jedoch abgeschlossen, so kann die gesammelte Information in sehr verdichteter Form und auf einfache Weise an andere Berechnungsprogramme weitergegeben werden. Dadurch ist es anderen Anwendungen, wie z. B. Gebäudesimulationsplattformen, möglich, solare Einträge mit einer bisher nicht realisierbaren Genauigkeit abzubilden. Dies gestattet es, Heiz- und Kühlleistungen, und damit den Energiebedarf, viel genauer als bisher möglich zu berechnen. Um diese einfache und effiziente Weitergabe der optischen Eigenschaften zu ermöglichen, habe ich einen Codierungsalgorithmus entwickelt, der auf den - in der Quantenmechanik sehr gebräuchlichen - Kugelflächenfunktionen beruht. Ähnlich wie beim MP3-Verfahren werden hierbei die umfangreichen und zeitaufwendig ermittelten „Messdaten“ mit Hilfe von geeigneten Funktionen komprimiert und können schließlich als einfache Zahlenfolge von nur circa einhundert Werten dargestellt werden. Auf Basis dieser komprimierten Daten, für die der Begriff SIOP (solar incidence operator) eingeführt wurde, können schließlich sehr einfach und binnen Millisekunden die solaren Einträge durch das analysierte Zielobjekt für beliebige Klimadaten, Orientierungen oder Zeiträume errechnet werden. Somit kann die Genauigkeit der Raytracing-Berechnung in die Gebäudesimulation übertragen werden, ohne dass die hierfür notwendigen aufwändigen Berechnungen durchgeführt werden müssen. Die für unterschiedliche Verglasungen und Beschattungssitutationen berechneten SIOPs können z. B. in Form einer Online-Datenbank zur Verfügung gestellt werden.
PyroScanner zur räumlich aufgelösten Messung des solaren Eintrags. Quelle: AEE INTEC
Validierung des Modells
Ein wichtiger Bestandteil der Dissertation ist, last but not least, auch die Validierung der entwickelten Methode. Da keine geeigneten Daten zur Validierung des von mir entwickelten Modells und Verfahrens zur Verfügung standen, habe ich gemeinsam mit dem Messtechnik-Team von AEE INTEC ein innovatives, neues Verfahren entwickelt. Es basiert auf einem Pyranometer (solares Einstrahlungsmessgerät), welches sich auf einem dreiachsigen Rahmen mit CNC-Steuerung hinter dem zu untersuchenden Objekt frei bewegen lässt. Mit Hilfe einer ebenfalls im Projekt entwickelten Web-Applikation können damit unterschiedliche, für die Validierung zweckmäßige Messprogramme vorgegeben werden. Die gemessenen Einstrahlungswerte an unterschiedlichen Orten hinter der Scheibe werden mit den Einstrahlungsdaten der außenliegenden Wetterstation abgeglichen, zu Kenngrößen weiterverarbeitet und abschließend mit den simulierten Messdaten verglichen. Auf diese Weise kann einerseits das Simulationsmodell validiert werden, andererseits können die Messdaten auch zur Kalibrierung des Modells herangezogen werden, falls nur unzureichende Informationen über die optischen Eigenschaften der verwendeten Materialen zur Verfügung stehen.
Derzeit werden die Validierungen abgeschlossen. Die Ergebnisse sind vielversprechend, aber auch sehr umfangreich. Das Verfahren erschließt eine Vielzahl an gänzlich neuen Möglichkeiten zur Analyse und Optimierung von beschatteten und nicht beschatteten Glasflächen, welche in der Tiefe erst ausgelotet werden müssen.
Danksagung
Die Dissertation wurde im Rahmen des Programms Forschungspartnerschaften von der Nationalstiftung Forschung, Technologie und Entwicklung, dem Österreich-Fonds und dem Bundesministerium für Klimaschutz, Umwelt, Energie, Mobilität, Innovation und Technologie unterstützt.
Autor
Dipl.-Ing. Daniel Rüdisser ist wissenschaftlicher Mitarbeiter des Bereichs „Gebäude“ bei AEE INTEC. Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein!