Modellierung und Simulation von fassadenintegrierten aktiven Komponenten

Bearbeiter: Dietmar Siegele

Betreuer: Fabian Ochs, Wolfgang Feist

Fertigstellung: 2014

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Modellierung und Simulation von fassadenintegrierten Komponenten, wie sie beispielsweise in Form von Lüftungsgeräten, Wärmepumpen, thermischen Solarkollektoren oder Photovoltaikzellen Verwendung finden. Aus bauphysikalischer Sicht sind solche Komponenten genauer zu betrachten, da sie zu einer Veränderung des Wärme- und Feuchtestroms im Bauteil führen können. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt in der Umsetzung eines eindimensionalen hygrothermischen und eines zweidimensionalen thermischen Modells in den Programmiersprachen MATLAB und C, sowie deren Koppelung an die Gebäudesimulation CARNOT. CARNOT ist eine Modell-Bibliothek (sogenannte Toolbox) für die Softwareumgebung Matlab/Simulink.

Das in dieser Arbeit verwendete hygrothermische Modell basiert auf einer Formulierung mit der Temperatur und der relativen Feuchte als abhängige Variablen und berücksichtigt die Feuchtespeicherung über eine Sorptionsisotherme und den Transport über Wasserdampfdiffusion und Flüssigtransport. Das zweidimensionale thermische Modell verwendet die in Matlab implementierten Algorithmen für das Lösen von PDE-Problemen. Das Lösen des linearen Gleichungssystems zur Berechnung der Ableitung nach der Zeit wird mit Algorithmen für dünnbesetzte Matrizen durchgeführt.

In weiterer Folge wird das hygrothermische Modell und das Gebäudemodell mit gekoppeltem hygrothermischen Modell anhand von Messdaten aus dem Projekt BIGCONAIR validiert. Für beide umgesetzten Modelle werden Betrachtungen zur Recheneffizienz und Konvergenz durchgeführt. Hierbei wird aufgezeigt, dass die Art und Güte der Diskretisierung einen nicht zu vernachlässigbaren Einfluss besitzen. Das implementierte Modell stellt einen vernünftigen Kompromiss aus Rechengenauigkeit und Rechenperformance dar.

Abschließend werden beispielhaft fassadenintegrierte Komponenten modelliert und simuliert. Es werden die Möglichkeiten des Heizens und Kühlens, sowie des aktiven Befeuchtens aufgezeigt. Zudem wird ein, im Rahmen des Projekts iNSPiRe zu entwickelndes, fassadenintegriertes Lüftungsgerät mit Wärmerückgewinnung vereinfacht betrachtet.