Bibliographic Metadata

Title
Möglichkeiten der Simulation des thermischen Verhaltens von Innenräumen mit Energy2D.
Additional Titles
Capabilities to simulate the thermal behavior of interior rooms using Energy2D.
AuthorSchroll, Daniel
Thesis advisorHölzl, Christian
Published2017
Date of SubmissionFebruary 2017
LanguageGerman
Document typeBachelor Thesis
Keywords (DE)Bauphysik / Finite Differenzen Methode / Konvektion / Luftströmungen / Raumklima / Simulation / Strömungsgleichung / Wärmetransportgleichung
Keywords (EN)Building physics / Finite difference method / Convection / Advection / Indoor climate / Simulation / Fluid equation / Heat equation
Restriction-Information
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Classification
Abstract (German)

Diese Arbeit beschreibt die Untersuchung eines zweidimensionalen Simulations-programmes für Wärmetransport. Es wird überprüft, ob es möglich ist damit das thermische Verhalten eines Seminarraumes mit seinen Heizungs- und Lüftungsanlagen zu bestimmen. Gegenstand der Untersuchung ist das Open Source Programm Energy2D. Die bauphysikalischen und rechtlichen Anforderungen an das Innenraumklima, sowie dessen Auswirkung auf die Nutzerinnen und Nutzer werden als Grundlage für die Relevanz des Themas dargelegt. Die Phänomene des Wärmetransports durch Leitung und Konvektion werden erklärt.

Eine Diskretisierung der Wärmetransportgleichung und der Navier-Stokes-Gleichung in Raum und Zeit wird durchgeführt und die Gleichungen für die numerischen Näherungen werden aufgestellt. Durch die Anwendung eines impliziten Schemas wird die zeitliche Änderung der Temperatur durch Wärmeleitung und die Änderungen der Luftgeschwindigkeiten durch Auftrieb und Reibung ausgedrückt. Die Verwendung des Verfahrens nach McCormack für die Advektion wird nachvollzogen und die so erhaltenen Formeln mit dem Programmcode verglichen. Im Anschluss wird die Programmstruktur von Energy2D vorgestellt. Durch die Aufschlüsselung der Simulationsschritte wird der Bezug zu den abgeleiteten Gleichungen hergestellt.

Die Plausibilität der Ergebnisse wir anhand verschiedener Modelle überprüft. Dazu wird der Seminarraum B.2.09 der FH Campus Wien mit seinen konstruktiven Grundlagen vorgestellt und als vereinfachtes Modell in Energy2D übernommen. Der Raum wird im Längsschnitt für die Simulation der Luftströmungen, die durch die vorhandene Belüftungsanlage erzeugt werden, verwendet. Für die Simulation der Konvektion durch die Beheizung des Raumes wird der Raum quer zur Gebäudeachse geschnitten.

Die Ergebnisse der Simulationen werden kritisch hinterfragt. Dabei zeigt sich, dass die Verwendung des Programmes für das gestellte Problem zu nicht nachvollziehbaren Variationen der Raumtemperatur führt. Die durch eine mechanische Lüftung oder thermische Konvektion hervorgerufenen Luftgeschwindigkeiten führen zu einer Abkühlung des Raumes. Dieses Verhalten wird für die untersuchte Programmnutzung als ungeeignet bewertet.

Für den geplanten Verwendungszweck als Werkzeug für die Planung und Optimierung von konstruktiven Merkmalen und der technischen Gebäudeausstattung ist Energy2D in seiner aktuellen Version nicht zu empfehlen. Für die visuelle Darstellung von Wärmetransportphänomenen mit der Einschränkung auf Hintergrundmedien mit einer hohen thermischen Leitfähigkeit ist Energy2D gut geeignet.

Abstract (English)

This thesis deals with the evaluation of a software for two-dimensional simulation of heat transport. The capabilities to use it for determining the thermal behavior of a seminar room, including its heating and ventilating systems, are evaluated. The object of the study is the open source program Energy2D.

The structural and internal requirements applicable to the indoor climate, as well as the impact on the users, are presented as a basis for the relevance of the topic. The phenomena of heat transfer by conduction and convection are explained.

A discretization of the heat transport equation and the Navier-Stokes-Equation in space and time is carried out and the equations for the numerical approximations are formulated. By the application of an implicit scheme, the temporal change of the temperature by heat conduction, and the changes of the air speeds by buoyancy and friction are expressed. The use of the method according to McCormack for advection is reconstructed and compared with the formulas within the program code. The program structure of Energy2D is presented. By breaking down the simulation into steps, the reference is shown to the derived equations.

The plausibility of the results is verified on various models. For this purpose the seminar room B.2.09 of the FH Campus Wien is presented with its constructive principles and adopted as a simplified model in Energy2D. A longitudinal section is used for the simulation of the air currents which are generated by the existing ventilation system. For the simulation of convection, generated by the heating system, the room is cut transverse to the axis of the building.

The simulation results are scrutinized. It turns out that the use of the program for the proposed objective leads to strange behavior of the temperature. The air speeds induced by the mechanical ventilation or the thermal convection lead to a cooling of the room. This behavior is the reason to rate the program unsuitable.

For the use as a tool for planning and optimization of design features and the technical building equipment, Energy2D is not recommended in its current version. For visual presentations of heat transport phenomena, with limitations on background media like a high thermal conductivity, Energy2D is well suited.