BauSIM 2026 Workshop: Stratified Zone Model (SZM) und CFD

 Echte Integration von Luftströmungen in thermische Gebäudesimulationsmodelle

Die gleichungsbasierte Gebäudesimulation, wie sie in IDA Indoor Climate and Energy (IDA ICE) eingesetzt wird, bietet gegenüber konventionellen Simulationstechnologien einen wesentlichen Vorteil: Sie ermöglicht die Simulation deutlich komplexerer dynamischer Wechselwirkungen. Dies zeigt sich insbesondere dann, wenn genauer untersucht werden soll, was innerhalb einer Zone geschieht, wenn die Raumluft nicht homogen durchmischt bleibt – ein Szenario, das in den meisten Modellen noch immer stark vereinfacht dargestellt wird.

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Mit dem geschichteten Zonenmodell, dem sogenannten Stratified Zone Model (SZM), können in IDA ICE die vertikalen Verteilungen von Temperatur, Kohlendioxidkonzentration (CO₂) und Wasserdampfanteil ermittelt werden. Hierfür wird die Zone in horizontale Schichten unterteilt. Anschließend werden die Bilanzgleichungen für den Austausch dieser Größen zwischen den einzelnen Schichten numerisch gelöst.

Dieses eindimensionale vertikale Finite-Differenzen-Modell wird zusätzlich um explizit abgebildete Strömungseffekte in Form von Luftstrahlen, Auftriebsströmungen und Wandströmungen ergänzt. Darüber hinaus werden die Sichtfaktoren für nichtkonvexe Geometrien mit Hindernissen korrekt berechnet. Dadurch lässt sich der langwellige Strahlungsaustausch zwischen den Raumoberflächen präziser vorhersagen.

IDA ICE verfügt außerdem über eine CFD-Erweiterung, mit der Luftströmungen und Temperaturverteilungen innerhalb von Gebäuden detailliert simuliert werden können. Sie ermöglicht einzigartige Einblicke in die Qualität des Innenraumklimas, die weit über klassische zonenbasierte Methoden hinausgehen.

Durch die nahtlose Integration in IDA ICE können CFD-Simulationen, die mit OpenFOAM durchgeführt werden, direkt aus dem Gebäudemodell heraus gestartet werden. Dadurch werden konsistente Randbedingungen gewährleistet und Ergebnisse erzeugt, die die tatsächlichen Bedingungen im Innenraum realitätsnah abbilden. Die Kopplung ermöglicht es, HVAC-Strategien, den thermischen Komfort der Gebäudenutzenden und die energetische Gebäudeperformance gleichzeitig zu bewerten.

Der CFD-Workflow in IDA ICE umfasst zunächst die Modellierung der Geometrie des Berechnungsgebiets, die Definition der thermischen und strömungstechnischen Eingangsgrößen sowie die Durchführung dynamischer Simulationen zur Ermittlung der erforderlichen Randwerte. Anschließend folgen die Vernetzung des Berechnungsgebiets, die Ausführung des CFD-Solvers und die Nachbearbeitung der Ergebnisse. Die Nachbearbeitung beinhaltet sowohl die Visualisierung der Daten als auch die Auswertung und Extraktion der Berechnungsergebnisse.

Das SZM liefert bestmögliche statistische Aussagen zu den Innenraumkomfortbedingungen in Form zeitlicher Häufigkeitsverteilungen über ein vollständiges Jahr. Gleichzeitig ermöglicht es eine präzisere Abbildung der vertikalen Verteilung und damit auch genauere Berechnungen von Größen wie den Lüftungswärmeverlusten.

Die exakte räumliche Verteilung der Komfortbedingungen innerhalb eines Raumes zu einem bestimmten Zeitpunkt kann hingegen nur mithilfe einer CFD-Simulation ermittelt werden.

Dieser Workshop eignet sich sowohl für Personen mit IDA-ICE-Erfahrung als auch für Teilnehmende ohne Vorkenntnisse. Wir beginnen mit einem bestehenden Gebäudesimulationsmodell und richten für einen Besprechungsraum zunächst eine Quelllüftung unter Verwendung des geschichteten Zonenmodells (SZM) ein.

Um die Belastbarkeit unserer Ergebnisse zu prüfen und Vertrauen in die Resultate aufzubauen, führen wir anschließend eine Sensitivitätsanalyse zur Temperaturschichtung durch. Auf Grundlage der bestmöglichen Ergebnisse erzeugen wir die Randbedingungen für eine CFD-Simulation. Die CFD-Ergebnisse werden anschließend mit den Ergebnissen des SZM verglichen.

In einer zweiten beziehungsweise optionalen Übung untersuchen wir die Temperaturschichtung in einem natürlich belüfteten Atrium.