Simulation mit Open Source-Software

Anlass dieser Veröffentlichung soll es sein, einen kurzen Überblick der Anwendung von „OpenFoam“ im Bereich der Gebäudesimulation zu geben und die Sinnhaftigkeit des Einsatzes von Simulationen bereits in einem frühen Planungsstadium darzustellen.

Gebäudesimulation mit „OpenFoam“

Das Programm „OpenFoam“ ist eine Open Source-Software mit Schwerpunkt in der Berechnung von Strömungssimulationen. Durch die Einführung als Open Source-Software ist der bislang geschlossene Quellcode einer konventionellen, käuflichen Software für den Anwender zugänglich. Somit lassen sich die Funktionen der Software nachvollziehen und prüfen. Durch das Lizenzmodell „GNU General Public License“ [2] ist es den Nutzern erlaubt, den Quellcode für Projekte einzusetzen, die Methoden und Funktionen zu untersuchen, Tools an eigene Bedürfnisse anzupassen und die Software beliebig oft zu kopieren, zu erweitern und zu modifizieren. Der größte Vorteil einer Open Source-Software wie „OpenFoam“ ist der Kostenfaktor, denn diese ist lizenzfrei und unentgeltlich erwerbbar. Die Software unterwandert die Industrie und wird somit eine Gefahr für teure, konventionelle Softwarepakete, so dass diese mit besseren attraktiveren Lizenzierungsmodellen antworten müssen. Die Zeiten, in denen „OpenFoam“ noch ein Geheimtipp unter den Universitätsmitgliedern war, sind vorbei. Die Software wird für den industriellen Markt zusehends attraktiver. Die Bezeichnung „OpenFoam“ steht für „Open Field Operation And Manipulation“. In den vergangenen Jahren fand die Software als eine Toolbox unter den Anwendern eine starke Verbreitung. Die Bezeichnung als Toolbox betrifft eher den Kern als die Software selbst, denn dieser besteht aus vielen Bibliotheken verschiedenster Anwendungen, die wie ein Baukastensystem zusammengesetzt werden können. Für die Umsetzung eigener Lösungsansätze durch Erstellung geeigneter Berechnungsalgorithmen innerhalb der Software ist ein Grundwissen in der Programmiersprache C++ ausreichend. Innovative Methoden und Verfahren wurden bei der Programmierung umgesetzt. Geläufige mathematische Grundbegriffe können direkt aus dem Quellcode abgelesen werden, wodurch die Physik nachvollziehbar wird. Nachfolgend werden die Erhaltungsgleichung der Masse und die entsprechende Umsetzung in „OpenFoam“ gezeigt. Die Erhaltungsgleichung sagt aus, dass in einem geschlossenen Volumen keine Masse verloren geht. Die Massenflüsse, die über die Ränder einfließen, strömen auch wieder heraus, innerhalb ist eine Beschleunigung oder Verminderung der Masse über der Zeit erlaubt.

 

+ ∇ ø = 0 fvm::ddt(rho) + fvc::div(phi) = 0

 

Anhand dieser Programmiertechnik wurden mittlerweile mehr als 80 Lösungsansätze für die Kontinuitätsmechanik und über 170 Applikationen erstellt. Im Bereich der Klimatechnik stehen mindestens fünf Lösungsansätze für die Berechnungen bereit.

Immer komplexere und größere Sondergebäude erfordern moderne und innovative Verfahren. Die üblichen Planungsmethoden sind daher nur bedingt einsetzbar. Teilweise sind die gebräuchlichen Ansätze empirisch durch Versuche ermittelt und nur in bestimmten Bereichen anwendbar. Im Gegensatz dazu eignen sich die dynamischen Gebäudesimulationen generell für diese Problemstellungen. Bei Simulationen können vorab schon Versuche an einem Modell durchgeführt werden, die im realen System zu teuer, zu aufwendig oder auch zu gefährlich wären. Nun müssen auch Simulationen für ein Ingenieurbüro wirtschaftlich sein. Dank der wachsenden Leistungsfähigkeit und des Preisverfalls der Rechentechnik lohnt sich der Einsatz von Simulationen auch für kleinere Büros. Die Integration von „OpenFoam“ im Planungsprozess eignet sich durch ihre Vernetzungstechnik. Das Tool „snappyHexMesh“ ist in der Lage strukturierte Netze zügig anhand von geometrischen Oberflächen, die als Nebenprodukt bei einer 3D Zeichnung wie in AutoCAD abfallen könnten, zu vernetzen. Obendrein bieten eine Vielzahl von Herstellerfirmen ihre Luftauslässe auch als 3D-Modelle an [3], so dass diese Auslässe ohne Vereinfachungen in der Modellierung integriert werden können. Die allgemeine Vorgabe, dass das zu berechnende Modell so genau wie nötig und so einfach wie möglich zu sein hat, erfüllt die Software.

„OpenFoam“ und die zugehörigen Tools werden stetig weiterentwickelt und ergänzt, so dass es schwierig ist, für alle Funktionen ein gemeinsames grafisches Interface zu programmieren. Aus diesem Grunde wird für die Bedienung weitgehend auf eine grafische Oberfläche verzichtet. In diesem Zusammenhang wäre die Entwicklung eines gezielt angepassten Systems erstrebenswert [4].

Heutzutage sind bereits handelsübliche PCs mit einer Mehrkerntechnik ausgestattet, die es erlaubt zur Kosten- und Zeiteinsparung Strömungssimulationen auf mehrere Prozessoren aufzuteilen. Ohne verteiltes Rechnen sind große Projekte kaum in einer akzeptablen Zeit durchzuführen. Auch hier greift „OpenFoam“ auf eine Open Source Software („OpenMPI“) [5] zurück, ohne Lizenzkosten zu erzeugen. Der offene Quellcode erzeugt einen stetig wachsenden Kreis von Anhängern. Diese Art von Community generiert neue Anwendungen für „OpenFoam“ und eine Reihe von wissenschaftlichen Veröffentlichungen, die die Validierung der Software unterstützen. So wurde in Zusammenarbeit mit dem Allwetterzoo in Münster im Rahmen eines Forschungsprogramms [6] Langzeitmessungen vor Ort durchgeführt und mit den Ergebnissen die Software angepasst, verglichen und validiert. Es werden Behaglichkeitstools nach DIN EN ISO 7730 programmiert oder neue Strömungsmodelle erforscht und in „OpenFoam“ umgesetzt. Diesen positiven Effekt macht sich die Gebäudetechnik zunutze. Es werden Schnittstellen generiert, die eine Verknüpfung verschiedener Programme ermöglicht. Mit Hilfe von Optimierungswerkzeugen [7] könnte „OpenFoam“ selbständig Simulationen durchführen und sich selbst programmieren, um zum Beispiel in einem Raum den optimalen Behaglichkeitszustand PMV, PPD nach der Fanger-Gleichung für den Mensch zu finden, indem es die Positionen der Luftauslässe in Abständen und vorgeschrieben Wegen solange verschiebt, bis das Optimum erreicht ist.

Inzwischen gab es einige Lüftungskonzepte, die aus den Ergebnissen einer Strömungssimulation mit „OpenFoam“ als Planungsgrundlage entstanden. So wurde bei einer Sporthalle Strömungssimulationen mit dem Ziel durchgeführt, im Hallen- und Zuschauerbereich den hierfür maßgeblichen PMV-Index um Null einzustellen und die Verweildauer der Luft zu bestimmen, damit die Weitwurfdüsen an den richtigen Stellen ihre Wirkung zeigen können. Die Lüftungseffektivität einer Lüftungsanlage und der Einfluss passiver Verbesserungsmaßnahmen zur Verminderung der Innenlufttemperaturen wurden in einem Klassenraum untersucht.

Fazit

Gebäudesimulationen sind ein probates Mittel um den Zustand eines kritischen Raumes vorherzubestimmen. Ein sinnvoller Einsatz von Gebäudesimulationen schon vor Ausführung eines Bauprojektes kann Planungsfehler aufdecken oder Planungssicherheit bei Entscheidungsfragen bieten. Durch die Weiterentwicklung der kostenlosen Software und durch eine Vielzahl von Anwender wird das Programm für kleine und mittlere Ingenieurbüros immer attraktiver. Nicht immer muss eine Software teuer sein. Es lohnt sich auch ein Blick in Richtung Open-Source-Software.

Literatur

[1] Mastertstudiengang: „Gebäudetechnik und Energiemanagement“, Fachbereich IV, Beuth Hochschule für Technik Berlin, www.beuth-hochschule.de
[2] GNU General Public Licence, www.gnu.org/licenses/gpl.html 
[3] TroxCADBase, www.trox.de
[4] HVAC Gui für OpenFOAM, Tian Building Engineering, www.building-engineering.de
[5] OpenMPI, Open Source High Performance Computing, www.open-mpi.org
[6] BAER2FIT; (2010): Innovative Entwicklungen für Freizeitanlagen der Bildung und Erholung, Beuth Hochschule für Technik Berlin, ISBN: 978-3-938576-30-4
[7] The Optimization Framework for Java, http://opt4j.sourceforge.net/
[8] Gebäude- und Raumluftströmungssimulationen zur Beurteilung der thermischen Behaglichkeit nach DIN EN ISO 7730, Engema GmbH – Ingenieurbüro für Energie- und Gebäudetechnik, Wismar
[9] agn Niederberghaus & Partner GmbH, www.agn.de