Human Comfort

HumanComfort Library

Die XRGLibrary zur mathematischen Berechnung des thermischen Komfortempfindens

XRG Human Comfort Library

HumanComfort modelliert das dynamisch, thermische Verhalten von Gebäuden, Fahrzeugen, Schiffs- und Flugzeugkabinen sowie die thermische Behaglichkeit von Personen und Passagieren. Das Produkt enthält die modulare Beschreibung aller physikalischen Wärmetransportvorgänge (Ready-to-use).

Gebäude Simulation

HotBuilding

Während Energiesysteme nach ökonomischen Gesichtspunkten optimiert werden, ist aus Sicht des Nutzers einer Klima- oder Heizungsanlage, das thermische Wohlbefinden oft von größerer Bedeutung. Wie sich das Wohlbefinden je nach thermischen und persönlichen Einflussfaktoren verändert, wurde in Studien untersucht und in Kennzahlen festgelegt. Standardisierte Berechnungsverfahren dieser Kennzahlen ermöglichen eine detaillierte Analyse des Wohlbefindens einer Person oder Personengruppe.

Die HumanComfort Modelica-Library enthält Modelle, mit denen mathematische Auswertungen des thermischen Komfortempfindens möglich sind. Sie ist modular aufgebaut und verwendet standardisierte Schnittstellen (z. B. Modelica.Fluid kompatibel) für eine flexible Implementierung in bestehende Modelica-Bibliotheken. Jedes HumanComfort Modul kann ausgetauscht werden. So kann der Anwender sein eigenes Gebäudemodel mit der HumanComfort Modelica-Library kombinieren, aber trotzdem das HumanComfort Wettermodel und Komfortmodel nutzen. Zusätzlich können mit dem Baukasten aus Komponenten ganz individuelle Raummodelle erstellt werden. Sehen Sie in einem Video-Tutorial wie man mit der HumanComfort Modelica-Library in weniger als einer Stunde ein thermisches Modell eines individuellen Gebäudes entwirft.

 

Gleichzeitige dynamische Simulation klimatisierter Zonen und Klimaanlage

Analyse von Wechselwirkungen zwischen Anlage und dynamischen Zonen-Effekten

Die in der HumanComfort Library enthaltenen Modelle können zur Optimierung im Entwicklungsprozess von Heizungs- und Klimatisierungssystemen von Gebäuden oder Fahrzeugen genutzt werden.

Die HumanComfort Modelica-Library ermöglicht, im Gegensatz zum bisherigen Stand der Technik (Siehe Infokasten), die gleichzeitige dynamische Simulation von der klimatisierten Zone und der Klimaanlage und gestattet damit die Analyse von Wechselwirkungen zwischen der Anlage und den dynamischen Effekten der Zone.

Analysen wie und wie lange sich beispielsweise ein kurzeitiger Anlagenausfall auf die Behaglichkeit auswirkt werden bei gleichzeitiger Simulation der Anlage und des Gebäudes durch die HumanComfort Modelica-Library möglich. Auch umweltbedingte Leistungsabfälle und ihre Auswirkungen auf die Komfortbedingungen können mit der HumanComfort Modelica-Library ermittelt werden.

So unterstützt die HumanComfort Modelica-Library die optimale Regelung eines Gesamtsystems (wie z.B. von Wärmepumpen, solarunterstützten Klimaanlagen usw.

Bisheriger Stand der Technik

Eine statische, im Vorweg anhand einer Gebäudesimulation ermittelte Gebäudelastkurve wird als Randbedingungen für Klimaanlagensimulationen verwendet. Es wird jedoch angenommen, dass die eingesetzte Klimaanlage jederzeit diese Lastkurve decken kann. Dabei wird vernachlässigt, dass möglicherweise Wechselwirkungen auftreten können, wenn die Kälteanlage von der Lastkurve abweicht. Das Verhalten des Gebäudes sowie der Technik müssen aber aufeinander abgestimmt werden, um ein System optimal zu regeln.

XRG-HumanComfort Packages der Library

XRG HumanComfort Packages

Screenshot

Zur Berechnung von klimatischen Bedingungen und Entwicklung von Regelungsstrategien für alle Behaglichkeitsansprüche

Das HumanComfort Package enthält die Berechnungsverfahren und Kennzahlen zur Bestimmung des Komforts eines Raumes, Gebäudes oder Fahrzeugs. Es werden die gängigsten Normen zu einer Gesamtanalyse der thermischen Behaglichkeit zusammengefasst.
Bei der Entwicklung der HumanComfort Modelica-Bibliothek werden folgende Normen und Standards berücksichtigt:

  • DIN EN ISO 7730
  • ASHRAE Standard 55
  • Dutch Thermal Comfort Guideline

Die HumanComfort Modelica-Library ermöglicht, durch einfache Einbindung der HumanComfort Moduls, umfassende Behaglichkeitsanalysen unter Berücksichtigung der drei genannten Normen. Darüber hinaus können schon während der Simulation die errechneten Kennzahlen zur Optimierung von Regelparametern genutzt werden. Damit ist es nun möglich eine Regelungsstrategie zu entwickeln die allen Behaglichkeitsansprüchen gerecht wird.

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Zur Bündelung und Modellierung von Umweltbedingungen

Das implementierte Wettermodel kann zeitlich beliebig aufgelöste Wetterdaten einlesen und diese an das Zonenmodel weitergeben. Hauptaufgabe ist jedoch die Intensität der Sonnenstrahlung auf den Ort und Flächenorientierung umzurechnen. Alle für eine Simulation notwendigen Umweltbedingungen werden gebündelt in einem standardisierten Wetter Connector an das Zonenmodel übertragen.

Die Wetter Schnittstelle enthält folgende Daten:

  • Außentemperatur
  • Fußbodentemperatur
  • Globalstrahlung auf eine horizontale Fläche
  • Direktstrahlung auf eine horizontale Fläche
  • Diffusstrahlung auf eine horizontale Fläche
  • Luftdruck
  • Luftfeuchtigkeit
  • Azimut- Nach Norden orientierter Horizontalwinkel der Sonne Zenit- Vertikaler Winkel der Sonne

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Zur Modellierung beweglicher und stationärer Klimazonen unter verschiedenen Randbedingungen

Im Zone Package befinden sich Modelle zur Erstellung von stationären oder mobilen Anwendungen. Mobile Anwendungen werden durch Modelle für z.B. Fahrzeuge oder Flugzeugkabinen abgedeckt. Alle Modelle können individuell aufgebaut und angepasst werden. Der Modell-Code ist offen und nicht verschlüsselt.

Für die stationären Anwendungen wird eine Gebäudesimulation innerhalb der HumanComfort Modelica-Library zur Verfügung gestellt. Jede Zone kann mit einem Wetter und einen HumanComfort Modul kombiniert werden (siehe Abbildung).

Zone Package

Mehrraummodelle werden hier aus Einzelräumen zusammengestellt die mit Modelica-Fluid oder thermischen Verbindungselementen (Connectors) verbunden werden (siehe Abbildung).

Zone Package

Die Zonenmodelle berücksichtigen u.a. folgende physikalischen Effekte:

  • Solare Einstrahlung, Strahlungsberechnung
  • Wärmeübergänge an Wänden und Fenstern
  • Wärmeleitung
  • Wärmetransport durch Luftaustausch
  • Thermische Aktivierung von Wandschichten

Alle Zonenmodelle sind mit unterschiedlichen Material- oder Stoffeigenschaften parametrisierbar und in den Zonen kann das jeweilige Nutzerverhalten mit abgebildet werden. (Wärme-, Feuchte und CO2-Quellen).

Die Luftzonen werden sowohl mit Stoffwerten für trockene oder feuchte Luft simuliert und zusätzlich kann CO2 als Luftbestandteil berücksichtigt werden.

Die Zonenmodelle werden durch detaillierte Anwendungsbeispiele für Gebäude, Automobile und Luftfahrzeuge ergänzt.

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CFD-Package: Dreidimensionales Luft/Feststoff-Modell

Das CFD-Package enthält ein Modelica basiertes, dreidimensionales Gittermodell. Das Modell wird aus kubischen Zellen zusammengesetzt. Jede Zelle kann eine Feststoff- oder eine Luftzelle abbilden, es wird das Finite-Volumen-Verfahren zur Unterteilung des Raumes verwendet. Die Energie- und Massenbilanzen werden in Energiezellen berechnet, während die Stoff- und Wärmeströme in sogenannten Strömungszellen berechnet werden. Hierbei wird der Einfluss der Turbulenz, die wirkenden Scherkräfte der Luft, die Schwerkraft und die Auftriebskräfte berücksichtigt. Durch die Verwendung der Navier-Stokes-Gleichungen, wie sie auch in der klassischen CFD-Simulation Anwendung finden, können realistische Strömungsverhältnisse berechnet werden.

An den Rändern des Gittermodells ermöglichen Standard-Schnittstellen des Gittermodells die einfache Verknüpfung mit Modellen anderer Bibliotheken. So können z.B. externe Wände eines Gebäudes mit den Partition-Modellen des Zones-Packages abgebildet und der Innenraum mit dem Gittermodell modelliert werden. Selbstverständlich sind Modelica-Fluid-Schnittstellen der Standard-Bibliothek ebenfalls verfügbar. Außerdem können am Modellrand symmetrische und periodische Randbedingungen definiert werden, um den Rechenaufwand für größere Räume zu verringern.

Des Weiteren enthält das Gittermodell alle geometrischen Informationen um den Strahlungsaustausch zwischen Oberflächen exakt zu berechnen. So können im Vorwege alle Einstrahlzahlen (Sichtfaktoren) der Oberflächenpaare ermittelt werden, wodurch unter anderem die interne Verschattung berücksichtigt wird. Hierbei werden Abstände und relative Ausrichtung der Oberflächen relevant für die ausgetauschte Wärmestrahlung.

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Wenn Sie Fragen zur XRG HumanComfort Library haben, senden Sie uns gern eine E-Mail.

Außerdem können Sie sich direkt von XRG Mitarbeitern im Umgang mit der HumanComfort schulen lassen. Alle nötigen Informationen über die Schulung finden Sie hier.

HumanComfort Library® ist ein eingetragenes Markenzeichen von XRG Simulation GmbH.