Skalen-Adaptive Simulation thermischer Behaglichkeit in Innenräumen

Der Beitrag stellt eine Methodik vor, Simulationsmodelle zur Vorhersage thermischer Behaglichkeit in Innenräumen mit unterschiedlichem raum-zeitlichen Detaillierungsgrad miteinander zu verbinden. Ausgehend von den Ergebnissen einer vorab durchgeführten Ganzjahressimulation werden beispielsweise verschiedene Zeitperioden identifiziert, in denen operative Raumtemperaturen einen kritischen Wert überschreiten. Das Modell wird anschließend verfeinert, indem ein Menschmodell in die Szene eingefügt wird. Mit Hilfe eines Raytracing Verfahrens wird die auf der Hautoberfläche des Manikins absorbierte kurzwellige Solarstrahlung sowie mittels eines Radiosity Modells der kurz- und langwellige diffuse Strahlungsaustausch zwischen Hautoberfläche und Umgebungsflächen berechnet. Der konvektive Wärmeübergang an der Hautoberfläche wird über Wärmeübergangskoeffizienten beschrieben, die zuvor mittels CFD Berechnungen ermittelt wurden. Zur Simulation des menschlichen Körpers hinsichtlich Stoffwechsel und Blutkreislauf dient ein Thermoregulationsmodell, mit dem die dynamische Entwicklung von Oberflächen- und Körperkerntemperaturen als Antwort auf zeitlich veränderliche Randbedingungen nachgebildet werden kann. In diesem Zusammenhang wird das Fiala Modell in THESEUS-FE eingesetzt. Die mittels einer gekoppelten Simulation bestimmten Hautoberflächentemperaturen werden anschließend über eine Umrechnung in Äquivalenttemperaturen lokalen Behaglichkeitswerten zugeordnet. Als Basis dienen Regressionsfunktionen, die in Versuchsreihen mittels Befragungen von Probanden am Fraunhofer-Institut für Bauphysik ermittelt worden sind.

The paper addresses the scale-adaptive coupling of simulation methods for indoor thermal quality performance prediction. Starting from results obtained by a whole-year building performance simulation, we identify periods, where operative room temperatures exceed a threshold. The model resolution is refined in space and time by inserting a multi segment thermal manikin model into the scene. A raytracing model computes the solar radiation absorbed at the manikin skin, whereas a radiosity solver calculates the diffuse short and long wave radiative heat transfer between manikin and its surroundings. Predefined heat transfer coefficients describe the convective heat transfer, which are previously computed by CFD. We adapt a thermoregulation model to simulate metabolism and blood circulation within the human body. The model predicts the dynamic responses of the body in terms of skin and core temperatures to changing environmental conditions. We make use of the THESEUS-FE implementation of Fiala's model. Skin temperatures resulting from a coupled simulation are transformed into equivalent temperatures and are correlated with local thermal sensation votes. The empirical correlations are obtained from experiments with test subjects involving questionnaires which have been conducted at the Fraunhofer-Institute for Building Physics.