Komfort unter Glasdach — Atrium.

Die Herausforderungen des Komforts in großen Volumen verstehen

Räume von hohem architektonischem Wert, aber thermisch komplex

Atrien, Empfangshallen und Räume großer Höhe zeichnen sich durch ihre großzügigen Volumen, ihre weitgehend verglasten Wände und ihre direkte Verbindung zum Außenraum aus. Diese Transparenz, eine Lichtquelle, wird zugleich zu einer wesentlichen technischen Randbedingung: die solaren Lasten, die Schichtung der Luftmassen und die thermische Trägheit der Strukturen verändern fortwährend das Komfortgleichgewicht.

Warme Luft neigt dazu, sich im oberen Bereich anzusammeln, während die verglasten Wände die Strahlung in schnellen Zyklen aufnehmen und wieder abgeben — wodurch Temperaturgradienten entstehen, die durch einen statischen Ansatz schwer auszugleichen sind.

Die dominierenden Phänomene: Strahlung, Schichtung und Trägheit

Die Sonneneinstrahlung ist die wichtigste Quelle einfallender Energie: Sie durchdringt die Verglasungen, wandelt sich beim Kontakt mit den Oberflächen in Wärme um und strahlt dann zu den Nutzern hin ab. Die thermische Schichtung lagert Luftschichten unterschiedlicher Temperaturen übereinander (Unterschiede von mehreren Grad zwischen Boden und Glasdach). Die thermische Trägheit der Materialien dämpft die Schwankungen, kann die gespeicherte Wärme aber verzögert abgeben und so die Unbehaglichkeit verlängern.

Das Verständnis dieser Phänomene erfordert einen dynamischen Ansatz, der die wechselseitigen Austauschprozesse zwischen Konvektion, Wärmeleitung und Strahlung nachbilden kann.

Der Ansatz von EOLIOS: das Innenraumklima modellieren

Die CFD-Simulation, ein multiphysikalisches Analysewerkzeug

EOLIOS stützt sich auf die numerische Strömungsmechanik (CFD), um die Wechselwirkungen zwischen Luft, Oberflächen, Wärme und Strahlung nachzubilden. Die 3D-Modelle lösen gleichzeitig die Erhaltungsgleichungen für Masse, Impuls und Energie und bieten so ein vollständiges Bild des thermo-aeraulischen Verhaltens: Geschwindigkeiten, Drücke, Übertragung durch Konvektion und Strahlung, Stagnationszonen und Temperaturungleichgewichte.

Sonneneinstrahlung und Klimaszenarien

EOLIOS bezieht reale meteorologische Daten und den Sonnenstand ein, um die direkte, diffuse und reflektierte Strahlung zu simulieren, unter Berücksichtigung des Gesamtenergiedurchlassgrades der Verglasungen, der Verschattung der Fassaden und des spektralen Verhaltens der Materialien. Die Kopplung von Strahlung und Konvektion ermöglicht die Berechnung der mittleren Strahlungstemperatur, eines wesentlichen Parameters des Empfindens. Die Simulationen decken mehrere extreme Szenarien ab — heißer Sommer, kalter Winter, Übergangszeit.

Bewertung des Komforts mit den Indizes PMV und PPD

Über Temperaturen und Geschwindigkeiten hinaus stützt sich EOLIOS auf die genormten Indikatoren PMV (Predicted Mean Vote) und PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied) der Norm ISO 7730. Der PMV quantifiziert das thermische Empfinden (–3 bis +3), der PPD schätzt den Anteil der Unzufriedenen, unter Berücksichtigung der Lufttemperatur, der Strahlungstemperatur, der Luftgeschwindigkeit, der Feuchte, der Aktivität und der Bekleidung. Ziel: einen neutralen Komfort anstreben (PMV ≈ 0, PPD < 10 %).

Von der Diagnose zur Klimastrategie

Die CFD-Analyse deckt die Mechanismen auf, die den Ungleichgewichten zugrunde liegen: Rezirkulationszonen, schlecht durchmischte Volumen, Hotspots durch örtlich begrenzte solare Lasten. EOLIOS formuliert daraufhin gezielte Strategien — die Position eines Zuluftauslasses anpassen, einen Ausblaswinkel ändern, die Regelung überarbeiten. In Hallen großer Höhe ist die Steuerung der Luftdurchmischung zentral: ein feines Gleichgewicht zwischen Geschwindigkeit (Unbehaglichkeit, wenn zu schnell) und Gleichmäßigkeit (Schichtung, wenn unzureichend).

Die solaren Lasten werden für verschiedene repräsentative Betriebszustände charakterisiert und münden in Regelungsempfehlungen: Anpassung des Zuluftvolumenstroms, Modulation des kühlenden Fußbodens, Sonnenschutz.

Hybride Strategien: Zuluft, Auftrieb und natürliche Belüftung

EOLIOS untersucht das Potenzial der natürlichen Belüftung und des nächtlichen Free Cooling: Die Dichteunterschiede zwischen warmen und kalten Schichten erzeugen einen natürlichen thermischen Auftrieb, der nutzbar ist, um die tagsüber gespeicherte Wärme abzuführen. In Kombination mit einer intelligenten mechanischen Regelung ermöglicht dies leistungsfähige hybride Strategien: nächtliche natürliche Belüftung, unterstützte Zuluft tagsüber, Modulation der Öffnungsflügel je nach Wind.

Prädiktiver Komfort und unterstützter Entwurf

Die Simulation erlaubt es, das Gebäude vor seiner Errichtung zu beobachten: ein echtes virtuelles Labor, in dem die architektonischen und technischen Entscheidungen getestet, verglichen und optimiert werden. Die 3D-Kartierungen von Temperatur, Geschwindigkeit und Druck bestätigen und justieren den Entwurf (Ausrichtung der Düsen, Volumenströme, Zulufttemperatur, Gesamtenergiedurchlassgrad der Verglasungen) und verringern die mit großen Höhen verbundenen Unsicherheiten.

Im Ansatz von EOLIOS wird der Komfort zu einem zentralen Leistungskriterium, das bereits ab dem Entwurf einbezogen wird — und thermische Stabilität sowie Energieeffizienz unabhängig von der Betriebsweise gewährleistet.