Entwicklung und messtechnische Validierung der Kopplung von CFD-Simulation mit einem thermophysiologischen Modell zur Bestimmung der thermischen Behaglichkeit
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Beschreibung
Problemstellung und Zielsetzung der Arbeit
1. Die Ansprüche sowohl des Nutzers als auch der Normung bezüglich der thermischen Behaglichkeit
sind in der Vergangenheit stark gestiegen. Die daraus resultierenden Anforderungen an das
Raumklima, das sich verändernde Außenklima sowie das Ziel der Energieeffizienz stellen Fachplaner
vor komplexe Aufgaben.
2. Diesen Ansprüchen werden die bisher verwendeten Modelle und Ansätze zur Bestimmung der
thermischen Behaglichkeit aus verschiedenen Gründen häufig nicht gerecht. Deutlich wird dies
beispielsweise bei Beschwerde-Statistiken, welche den Verbesserungsbedarf der klimatischen
Verhältnisse in Gebäuden offen legen.
3. Eine Verbesserung dieser Zustände würde nicht nur zu einer höheren Wohn- und Arbeitsqualität
führen, sondern auch einen ökonomischen Nutzen durch einen geringeren Krankenstand, Einsparung
von Kosten im Gesundheitssystem und eine erhöhte Produktivität haben.
4. Daraus kann die Notwendigkeit neuer Methoden abgeleitet werden. Zielstellung der Arbeit ist
daher die Entwicklung eines neuen Ansatzes, mit dem die thermische Behaglichkeit auch unter
komplexen raumklimatischen Gegebenheiten bestimmt werden kann. Eine Möglichkeit bietet die
Kopplung der Strömungssimulation (CFD) an ein numerisches Modell, welches die Thermophysiologie
des menschlichen Körpers abbildet.
Stand der Wissenschaft
5. Es existieren zahlreiche nationale, europäische und internationale Normen und Richtlinien, die
sich mit der thermischen Behaglichkeit beschäftigen. Die Anwendbarkeit dieser Normen in der
Praxis ist nur bedingt gegeben.
6. Das von FANGER entwickelte PMV-Modell (Predicted Mean Vote) bildet als Bestandteil der internationalen
Normung die derzeitige Grundlage zur Bewertung der thermischen Behaglichkeit. Das
PMV-Modell ist allerdings eher für die Bewertung eines homogenen Raumklimas geeignet.
7. In den letzten Jahren sind verschiedene numerische Modelle entwickelt worden, die die menschliche
Thermophysiologie (z.B. HUIZENGA, TANABE, FIALA) abbilden und darauf basierend eine Bestimmung
des Komforts ermöglichen (z.B. ZHANG).
8. Das derzeit am weitesten entwickelte Thermoregulations- und Komfortmodell ist das im Rahmen
dieser Arbeit verwendete und weiterentwickelte UCBerkeley Thermal Comfort Model.
Eingesetzte Methoden
9. Für eine Validierung des UCBerkeley Thermal Comfort Models wurden in der Fachliteratur dokumentierte,
am Menschen durchgeführte Untersuchungen für einen umfangreichen Vergleich
zwischen Simulation und Realität herangezogen.
10. Zur messtechnischen Validierung der CFD-Simulationen wurde eine Klimakammer aufgebaut.
Um den Einfluss des menschlichen Körpers auf die Temperatur- und Strömungsverhältnisse zu
berücksichtigen, wurde ein thermisches Manikin eingesetzt.
11. Die Erfassung der Raumluftströmung erfolgte mit Hilfe des Verfahrens Particle Streak Tracking
(PST), welches Strömungsgeschwindigkeit und -richtung mit Hilfe von der Raumluft beigegebenen
Partikeln ermittelt.
12. Zur Visualisierung des den menschlichen Körper umgebenden Mikroklimas wurde die Thermographie
eingesetzt. Weil mit diesem Verfahren lediglich Oberflächen-, jedoch nicht die Lufttemperaturen
erfasst werden können, wurde eine Hilfsschicht um das thermische Manikin errichtet.
13. Da die Genauigkeit von PST und Thermographie nur schwer abzuschätzen ist und stark von den
jeweiligen messtechnischen Bedingungen abhängt, wurde der Messaufbau um herkömmliche Sensoren
(NTC, Anemometer) ergänzt.
14. Um ein möglichst exaktes Abbild des Messaufbaus in die Simulation zu übertragen, wurde auf ein
3d-Laserscanning-Verfahren zur Implementierung der komplexen Geometrie des thermischen
Manikins zurückgegriffen.
15. Im Zuge einer umfangreichen Literaturrecherche kristallisierten sich drei Turbulenzmodelle als für
die Simulation der Raumluftströmung und das den Menschen umgebende Mikroklima geeignet
heraus: (1) low-Reynolds k-e, (2) V2F und (3) k-w-SST.
16. Die Diskretisierung des Raumes erfolgte durch ein dreidimensionales Gitter (Polyeder), welches
aufgrund hoher Gradienten um den menschlichen Körper verfeinert wurde. Bestehend aus etwa
1,6 Millionen Zellen stellt das Gitter entsprechend hohe Anforderungen an die Rechentechnik.
17. Zur Validierung der CFD-Simulation wurden in der vorliegenden Arbeit die jeweiligen Einsatzbereiche
systematisch mit experimentellen Daten abgeglichen. Fokus dieser Validierung war die
Auswahl des für die Anwendung geeigneten Turbulenzmodells.
18. Nach der Validierung erfolgte die Entwicklung eines mathematisch-physikalischen Ansatzes zur
Kopplung von CFD und dem thermophysiologischen Modell.
19. Die Implementierung der entwickelten Kopplung wurde über ein Java-Skript umgesetzt.
Ergebnisse
20. Im Rahmen der Validierung des UCBerkeley Thermal Comfort Models konnte festgestellt werden,
dass das Modell die menschliche Körpertemperatur mit guter Genauigkeit simuliert. Die Funktionsweise
des Modells konnte nicht falsifiziert werden, womit das Modell für die untersuchten
Randbedingungen als abgesichert bezeichnet werden kann.
21. Der Einsatz der innovativen Verfahren Thermografie und PST erwies sich als geeignet. Beide
Methoden sind, unter Berücksichtigung kleinerer Einschränkungen, für die Visualisierung und
messtechnische Erfassung des Raumklimas geeignet.
22. Bei der Anwendung des PST sind grundlegende Kenntnisse der Strömung wichtig, nicht zuletzt
um einen geeigneten Algorithmus zur zeitlichen und räumlichen Mittelung der Messergebnisse
auszuwählen. Erst durch diese Mittelung konnte eine Vergleichbarkeit mit der durch die Reynolds-
Averaged-Navier-Stokes-Gleichungen (RANS) gemittelten Simulation geschaffen werden.
23. Die Thermografie weist kleine Schwachstellen auf. Hauptursache ist der Strahlungsaustausch mit
den umgebenden Flächen, der die Messergebnisse bei ungünstigen Randbedingungen beeinflussen
kann. Aus diesem Grund ist die Auswahl geeigneter Messstellen von entscheidender Bedeutung.
24. Die Kontrolle der Verfahren PST und Thermographie mit konventionellen Sensoren (NTC, Anemometrie)
erwies sich als nötig. Die Instabilität und Turbulenz der Strömung bedingte eine zeitliche
Mittelung der Messungen, um diese mit der Simulation (RANS) vergleichen zu können.
25. Durch die Messungen konnten neue Erkenntnisse über das den Menschen umgebende Mikro- und
Raumklima gewonnen werden. Die Messdaten werden anderen Wissenschaftlern beispielsweise
am Massachusetts Institute of Technology zur Verfügung gestellt.
26. Die durch die Implementierung des 3d-Laserscans erzielte Genauigkeit ermöglicht eine Ermittlung
der segmentbezogenen raumklimatischen Bedingungen zur Bestimmung der lokalen thermischen
Behaglichkeit sowie die Validierung der CFD-Simulation. Darüber hinaus wird der Scan an der
UCBerkeley in das Strahlungsmodell des Thermoregulationsmodells integriert.
27. Beim Vergleich der Turbulenzmodelle zeigte sich, dass das k-w-SST Turbulenzmodell die beste
Übereinstimmung aufwies. Ursache könnte die in diesem Modell implementierte Blending-
Funktion sein, die im freien Raum das k-e-Modell, in Wandnähe aber das k-w-Modell verwendet.
28. Die Abweichungen zwischen der k-w-SST-Simulation und der Messung liegen größtenteils unter
der Messgenauigkeit. Die CFD-Simulation kann damit für die untersuchten Bereiche als abgesichert
gelten, da das verwendete Modell nicht falsifiziert werden konnte.
29. Nach der erfolgreichen Validierung sowohl des Thermoregulations- als auch des CFD-Modells
wurden beide über eine Schnittstelle miteinander gekoppelt. Durch diese Kopplung ist im Rahmen
der Arbeit ein Modell zur Bestimmung der lokalen thermischen Behaglichkeit basierend auf lokalen
klimatischen Parametern entstanden.
30. In der Arbeit wurden verschiedene mathematisch-physikalische Ansätze entwickelt, die die Ermittlung
und Übergabe der lokalen klimatischen Parameter ermöglichen. Im Gegensatz zu den bisherigen
pauschalisierten Ansätzen sind diese allgemeingültig.
31. Die entwickelte Schnittstelle übergibt nicht wie bisher die Luftgeschwindigkeit, sondern ermittelt
den Wärmeübergangskoeffizienten direkt aus der CFD-Simulation. Wie eigene Messungen und
Simulationen zeigen, wird dadurch die Genauigkeit des Verfahrens deutlich erhöht.
32. Die Fähigkeiten der entwickelten Kopplung wurden beispielhaft zur Untersuchung einer Fußbodenkühlung
und dem daraus resultierenden heterogenen Raumklimas angewendet. Dabei zeigte
sich, dass diese aus ökonomischer und energetischer Sicht viel versprechende Art der Raumklimatisierung
die thermische Behaglichkeit gewährleisten kann.
33. Die im Rahmen dieser Arbeit gewonnenen Erkenntnisse und entwickelten Konzepte werden an
der UCBerkeley in das bestehende Komfortmodell implementiert. Darüber hinaus können die neuen
Kenntnisse nicht nur zur Kopplung zwischen CFD und der menschlichen Thermoregulation
genutzt werden, sondern bieten auch Potential für zukünftige Forschungsthemen in anderen Bereichen
(z.B. Luftqualität, Übertragung von Krankheitserregern, etc.).
34. Durch den 3d-Laserscan des thermischen Manikins, die Validierung sowie die Kopplung der
Modelle ist ein belastbares Werkzeug entstanden, mit dem die thermische Behaglichkeit unter
vielseitigen Bedingungen detailliert ermittelt werden kann. Dazu zählen neben der Anwendung in
der Gebäudeplanung auch andere Bereiche mit komplexen klimatischen Gegebenheiten (z.B.
Fahrzeugindustrie). Durch diese Entwicklung werden zukünftig neue Lösungen für ein auf die
Nutzungsanforderungen abgestimmtes, thermisch behagliches Raumklima unter Berücksichtigung
der Energieeffizienz möglich.
35. Weiterführend wurde eine erweiterte Modellierung des Wärme- und Feuchtetransports durch
Textilien vorgestellt, die durch die Einbindung verschiedener Effekte eine höhere Genauigkeit bietet.
Dazu zählen der Einfluss der Bewegung des Menschen sowie der Luft auf den sensiblen als
auch latenten Wärmetransport durch die Kleidung. Des Weiteren wurde auf die Speicherung von
Feuchtigkeit (Regain) in der Kleidung eingegangen. Die Modellierung des Wärme- und Feuchtetransports
durch Textilien bietet Potential für weitere Forschungsarbeiten.
Autor*in
Conrad Völker