CFD-Simulation für das Humboldtforum

Numerisches Modell als Simulationsgrundlage

Äußerlich wird das Humboldtforum im Berliner Schloss an Bautradition und Geschichte erinnern, innen ist es ein zeitgenössischer und hochmoderner Ausstellungs-, Veranstaltungs- und Kulturort für alle Bürger, 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 (TRY) für Berlin verwendet. Die CFD-Strömungssimulationen im vorliegenden Fall wurden stationär, dreidimensional sowie vollturbulent unter Nutzung von Ansys CFD (Fluent) durchgeführt.“

Software zur Strömungsanalyse

Ansys Fluent stellt umfassende physikalische Modellierungsmöglichkeiten zur Verfügung, die für die Analyse von Strömungen, Turbulenzen, Wärmeübertragung und Reaktionen von physikalischen Anwendungen benötigt werden. Dabei kann es sich um Luftströmungen über einem Flugzeugflügel bis hin zu Verbrennungsvorgängen in Kesseln, von Blasensäulen bis zu Ölplattformen, vom Blutfluss bis zur Halbleiterherstellung und vom Entwurf von Reinräumen bis hin zu Abwasserverarbeitungsanlagen handeln. Die Softwaremodule wurden um spezielle Modelle erweitert, mit denen die Software innermotorische Verbrennungsabläufe, Aeroakustik, Turbomaschinen und Mehrphasensysteme modellieren kann.

ILK Dresden führt die Simulationen durch

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“, berichtet Donald Stubbe. „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 damit praxisrelevante Optimierungshinweise abgeleitet werden.“

Einhaltung der Behaglichkeitskriterien

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. 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).

Planung mit Softwaretools

Die Software von Ansys konnte im Rahmen des Projektes „Humboldtforum“ ihre Stärken vollauf ausspielen. Zumal die sich stellenden Aufgaben im Berliner Schloss nicht ohne ein Tool wie Ansys-“Fluent“ hätten bearbeitet werden können. „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.“

Neben „Fluent“ nutzt das ILK Dresden noch weitere Softwaremodule von Ansys wie die „Workbench“, „CFX“, „Meshing“, „DesignModeler“ und „CFD Post“. Über die Luft- und Klimatechnik hinaus kommt das Tool fast täglich und vielfältig ebenfalls in den Bereichen Kyrotechnik, Temperatur, Physik und Kältetechnik zum Einsatz. Und zwar bei Forschungs- und Entwicklungsprojekten wie zum Beispiel der Auslegung und Konzeption von Ventilatoren, anlagentechnischen Untersuchungen oder in der Haustechnik. Mit dem Support von Ansys sind die Dresdner ebenfalls sehr zufrieden: „Bei Fragen rund um die Software wird uns schnell und kompetent geholfen. Insgesamt stellt die Ansys-Software für mich ein sehr komfortables und nützliches Instrument dar“, zieht Donald Stubbe ein positives Fazit. „Gerade im Rahmen des Projektes ‚Humboldtforum‘ spielt Ansys-,CFD‘ eine Schlüsselrolle – das, was man vorher mit CAD und ,Meshing‘ kreierte, wird mit Ansys-,Fluent‘ berechnet. Ansys-,Fluent‘ ist die Kernsoftware, mit der die Simulationen sowie die Auswertungen durchgeführt werden.“ Voraussichtlich ab 2019 können Besucher live im Berliner Schloss die Vorteile der „Vorarbeit“ von Ansys-„Fluent“ genießen – denn dann wird das Humboldtforum voraussichtlich eröffnet.