Klimakomfort: Glasdächer & Atrien.

Die Herausforderungen des Komforts in großen Volumina verstehen

EOLIOS ist Experte für den Komfort in großen verglasten Volumina. Unsere CFD-Simulationen decken die Unbehaglichkeitszonen auf und optimieren den Entwurf für ein leistungsfähiges und beherrschtes Innenraumklima.

Räume von hohem architektonischem Wert, aber thermisch komplex

Die Atrien, Empfangshallen und Räume großer Höhe nehmen einen zentralen Platz in der zeitgenössischen Architektur ein. Als wahre Schaufenster der Büro-, Kultur- oder Geschäftsgebäude zeichnen sie sich durch ihre großzügigen Volumina, ihre weitgehend verglasten Wände und ihre direkte Verbindung mit dem Außenraum aus. Diese Transparenz, Quelle von Licht und räumlicher Qualität, wird auch zu einem großen technischen Zwang: die Sonneneinträge, die Schichtung der Luftmassen und die thermische Trägheit der Strukturen verändern ständig das Gleichgewicht des Innenraumkomforts.

In diesen offenen Volumina beruht die Beherrschung des Innenraumklimas auf einem subtilen Dialog zwischen dem architektonischen Entwurf und der Physik der Strömungen. Die warme Luft neigt natürlich dazu, sich im oberen Bereich zu sammeln, während die verglasten Wände die Sonnenstrahlung in raschen Zyklen aufnehmen und wieder abgeben. Diese durch die Höhe und die Schwankung der Belegung verstärkten Effekte erzeugen Temperaturgradienten, die durch einen einfachen regulatorischen oder statischen Ansatz schwer auszugleichen sind.

Die dominierenden Phänomene: Strahlung, Schichtung und Trägheit

Der thermische Komfort in einer großen Halle hängt von einer Kombination voneinander abhängiger physikalischer Phänomene ab. Zuerst stellt die Sonnenstrahlung die wichtigste Quelle einfallender Energie dar: sie durchdringt die Verglasungen, wandelt sich beim Kontakt mit den inneren Oberflächen in Wärme um und strahlt dann erneut zu den Nutzern zurück.

Die thermische Schichtung äußert sich dann in einer Überlagerung von Luftschichten unterschiedlicher Temperatur: die warme Luft steigt auf, die dichtere und kühlere Luft bleibt im unteren Bereich, was manchmal Unterschiede von mehreren Grad zwischen Boden und Glasdach hervorruft. Schließlich beeinflusst die thermische Trägheit der Materialien die Reaktivität des Gebäudes: die massiven Wände oder die Böden mit hoher Wärmekapazität dämpfen die Schwankungen, können aber auch die angesammelte Wärme verspätet abgeben und so die Unbehaglichkeitsphasen verlängern.

Das Verständnis dieser Phänomene erfordert einen dynamischen Ansatz, der in der Lage ist, die wechselseitigen Austausche zwischen Konvektion, Konduktion und Strahlung nachzubilden. Genau diese komplexe Wechselwirkung versucht EOLIOS zu modellieren, um das reale Verhalten des Gebäudes über die Zeit vorherzusagen.

Die Ziele von Komfort und Energieleistung

Den Komfort in einem Raum großer Höhe zu gewährleisten, besteht nicht nur darin, eine mittlere Temperatur aufrechtzuerhalten: es geht darum, eine homogene und stabile Umgebung zu schaffen, in der die Luftgeschwindigkeiten, die Strahlungstemperaturen und die vertikalen Gradienten für die Mehrheit der Nutzer in akzeptablen Bereichen bleiben. In diesen atypischen Volumina ist das Gleichgewicht zwischen Komfort und Energieleistung oft fragil: eine übermäßige Luftdurchmischung kann das Wohlbefinden beeinträchtigen, während eine Unterdimensionierung der Einblasung oder der Kühlung lokale Überhitzungszonen hervorruft.

Die Herausforderung ist also zweifach: die wahrgenommene Qualität des Innenraumklimas gewährleisten und zugleich den Energieverbrauch der Systeme beherrschen. Dieses Gleichgewicht zu erreichen setzt ein feines Verständnis der physikalischen Phänomene voraus, einen gekoppelten Ansatz von Thermodynamik und Aeraulik und den Einsatz von Simulationswerkzeugen, die in der Lage sind, die dreidimensionale Realität des Komforts nachzubilden.

Der EOLIOS-Ansatz: das Innenraumklima modellieren

Die CFD-Simulation, ein multiphysikalisches Analysewerkzeug

Angesichts der Komplexität der Phänomene, die sich in einem Atrium oder einer Halle großer Höhe entwickeln, stellt die numerische Simulation heute das leistungsfähigste Werkzeug dar, um den Innenraumkomfort zu verstehen und zu beherrschen. EOLIOS stützt sich auf die numerische Strömungsmechanik (CFD), um die Wechselwirkungen zwischen Luft, Oberflächen, Wärme und Strahlung präzise nachzubilden. Diese dreidimensionalen Modelle lösen gleichzeitig die Erhaltungsgleichungen der Masse, des Impulses und der Energie und bieten eine vollständige Lesart des thermo-aeraulischen Verhaltens des Volumens.

Dieser multiphysikalische Ansatz erlaubt es, nicht nur die Geschwindigkeiten und Luftdrücke zu analysieren, sondern auch die Wärmeübertragungen durch Konvektion und Strahlung. Er bietet eine dynamische Sicht auf die Funktionsweise des Gebäudes und hebt die Stagnationszonen, die Schichtungsphänomene oder die Temperaturungleichgewichte zwischen den verschiedenen Luftschichten hervor. Dank der Präzision der Modelle gibt EOLIOS die realen empfundenen Komfortbedingungen wieder und leitet daraus konkrete Optimierungshebel für die Steuerung, die Einblasung oder die Luftverteilung ab.

Berücksichtigung der Sonnenstrahlung und der Klimaszenarien

Die Sonneneinträge stellen die wichtigste Quelle des thermischen Ungleichgewichts in den verglasten Räumen dar; ihre Intensität, ihre Ausrichtung und ihre Dauer variieren je nach Jahreszeit, Tageszeit und Transparenz der Verglasungen. Um diese Bedingungen originalgetreu nachzubilden, integriert EOLIOS in seine CFD-Modelle reale meteorologische Daten, verbunden mit dem Sonnenstand am Standort. Dieser Ansatz erlaubt es, die direkte, diffuse und reflektierte Strahlung zu simulieren, unter Berücksichtigung des Sonnenfaktors der Verglasungen, der Beschattung der Nachbarfassaden und des spektralen Verhaltens der Materialien.

Die Kopplung zwischen Strahlung und Konvektion erlaubt es, die mittlere Strahlungstemperatur zu berechnen, einen wesentlichen Parameter zur Bewertung des thermischen Empfindens; die stark exponierten Zonen unter dem Glasdach oder in der Nähe der Fassaden werden so präzise identifiziert. Die Simulationen werden für verschiedene Extremszenarien durchgeführt — heißer Sommer, kalter Winter, Zwischensaison —, um den Komfort über die Gesamtheit der Nutzungsbedingungen zu gewährleisten, selbst die ungünstigsten. Diese Methodik verleiht den EOLIOS-Studien einen starken prädiktiven Wert: sie bewertet das Verhalten des Gebäudes in seiner klimatischen Realität und nicht in einer starren theoretischen Hypothese.

Komfortbewertung durch die Indizes PMV und PPD

Über die Temperaturen oder Luftgeschwindigkeiten hinaus beruht die Wahrnehmung des Komforts auf einer Kombination physikalischer und physiologischer Faktoren. Um diese Wahrnehmung zu objektivieren, stützt sich EOLIOS auf die genormten Indikatoren PMV (Predicted Mean Vote) und PPD (Predicted Percentage of Dissatisfied), definiert durch die Norm ISO 7730.

Der PMV quantifiziert das mittlere thermische Empfinden einer Gruppe von Nutzern auf einer Skala von –3 bis +3, von intensiver Kälte bis übermäßiger Hitze; der davon abgeleitete PPD schätzt den Prozentsatz der Personen, die wahrscheinlich unzufrieden sind. Diese Indizes berücksichtigen die Lufttemperatur, die mittlere Strahlungstemperatur, die Luftgeschwindigkeit, die relative Feuchtigkeit sowie das Aktivitätsniveau und die Bekleidung. Durch die Integration dieser Kriterien in seine CFD-Berechnungen bewertet EOLIOS nicht nur die physikalischen Bedingungen, sondern auch ihre Wirkung auf das menschliche Empfinden — identifiziert die lokalen Unbehaglichkeitszonen und passt den Entwurf an, um auf einen neutralen Komfort (PMV ≈ 0, PPD < 10 %) hinzuwirken.

Von der Diagnose zur Klimastrategie

Die Handlungshebel für Verteilung und Temperatur identifizieren

Die CFD-Analyse beschränkt sich nicht darauf, die Luftströme zu beschreiben: sie deckt die präzisen Mechanismen auf, die den thermischen Ungleichgewichten zugrunde liegen. Durch die Visualisierung der Verteilung der Geschwindigkeiten, der Temperaturen und der vertikalen Gradienten identifiziert EOLIOS die Rezirkulationszonen, die schlecht durchmischten Volumina oder die Hotspots, die mit lokalen Sonneneinträgen verbunden sind. Ausgehend von diesen Beobachtungen wird es möglich, gezielte Handlungsstrategien zu formulieren: die Position eines Einblasauslasses anpassen, einen Verteilwinkel ändern oder die Abfolge der Regelung überarbeiten — oft materiell geringfügige Optimierungen, die jedoch den Komfort in den Belegungszonen tiefgreifend verändern.

In den Hallen großer Höhe spielt die Kontrolle der Luftdurchmischung eine zentrale Rolle: ein subtiles Gleichgewicht muss zwischen Geschwindigkeit und Homogenität gefunden werden — ein zu schneller Strom erzeugt Unbehagen, ein unzureichender Strom begünstigt die Schichtung. Die EOLIOS-Studien quantifizieren diese Effekte und leiten daraus die relevantesten Einstellungen für jede Konfiguration ab.

Die Sonnendynamik und die energetische Regelung integrieren

Die Sonneneinträge sind eine entscheidende Variable des thermischen Verhaltens der großen verglasten Volumina; ihre Intensität und ihre Verteilung variieren je nach Jahreszeit, Uhrzeit und Geometrie der Fassaden und beeinflussen direkt die mittlere Strahlungstemperatur und das Empfinden der Nutzer. In seinen Simulationen charakterisiert EOLIOS die Wirkungen der Sonnenstrahlung in verschiedenen repräsentativen Betriebsregimen — heißer Sommer, kalter Winter, Zwischensaison —, hebt die empfindlichsten Zonen und die Ungleichgewichte hervor, die sie hervorrufen können.

Diese Ergebnisse erlauben es, Regelungsempfehlungen zu erstellen: Anpassung des Einblasdurchsatzes, Modulation des Kühlbodens oder Umsetzung von Sonnenschutz. Das Ziel ist nicht, die Regelung in Echtzeit zu simulieren, sondern bei ihrer Parametrierung und ihrer Priorisierung zu helfen, indem die wirksamsten Hebel zur Stabilisierung des Komforts bei gleichzeitiger Begrenzung des Verbrauchs definiert werden. Die CFD wird so zu einem Entscheidungswerkzeug für die Einstellung und die Dimensionierung der Klimasysteme.

Hybride Strategien entwerfen: Einblasung, Auftrieb und natürliche Belüftung

Die großen Innenvolumina weisen oft eine solche Trägheit auf, dass sie sich die natürlichen Phänomene zunutze machen können, um ihr Klima zu regeln. EOLIOS untersucht systematisch das Potenzial der natürlichen Belüftung und des nächtlichen Free Coolings, um zu bewerten, inwieweit die Außenluft zur Kühlung oder zur Erneuerung des Volumens beitragen kann. Die Simulationen zeigen, wie die Luftdichteunterschiede zwischen warmen und kalten Schichten einen natürlichen thermischen Auftrieb erzeugen, der zur Abführung der tagsüber angesammelten Wärme nutzbar ist.

Dieser passive Betriebsmodus, kombiniert mit einer intelligenten mechanischen Regelung, erlaubt es, besonders leistungsfähige hybride Strategien zu erarbeiten: natürliche Belüftung in der Nachtphase, assistierte Einblasung am Tag, Modulation der Öffnungen je nach Windrichtung. Dieser integrierte Ansatz, an der Schnittstelle von Physik und Architektur, verringert die energetische Abhängigkeit und gewährleistet zugleich eine konstante Luftqualität und einen konstanten thermischen Komfort.

Prädiktiver Komfort und simulationsgestützter Entwurf

Verstehen, bevor man baut

Die numerische Simulation bietet die Möglichkeit, ein Gebäude zu beobachten, noch bevor es realisiert ist. Indem es die Geometrie, die Materialien und die klimatischen Bedingungen virtuell nachbildet, analysiert EOLIOS das reale Verhalten eines Raumes großer Höhe schon in der Entwurfsphase. Dieser prädiktive Ansatz erlaubt es, die thermischen und aeraulischen Phänomene vorwegzunehmen, die den Komfort beeinträchtigen können: Erwärmung unter dem Glasdach, Luftstagnationszonen, Ungleichgewichte zwischen besonnten Fassaden und beschatteten Zonen.

Die durchgeführten Studien bilden ein echtes virtuelles Labor, in dem die architektonischen und technischen Entscheidungen vor jeder Umsetzung getestet, verglichen und optimiert werden können — und verleihen oft durch ästhetische oder funktionale Zwänge geleiteten Entscheidungen eine konkrete physikalische Sicht.

Den Entwurf anpassen und zuverlässig machen

Die aus der CFD gewonnenen Ergebnisse sind keine starren Bilder: sie dienen dazu, den Entwurf zu validieren und anzupassen. Die dreidimensionalen Kartografien von Temperatur, Geschwindigkeit und Druck erlauben es, die Leistung des Klimasystems präzise zu bewerten, die Kohärenz der Einblasung zu überprüfen und die zu optimierenden Zonen zu erkennen. Diese Analysen machen die Entscheidungen zuverlässig, indem sie die empfindlichsten Parameter identifizieren — Ausrichtung der Düsen, Luftdurchsätze, Einblastemperatur, Sonnenfaktor der Verglasungen.

Dieser wissenschaftliche, auf Messung und Vergleich gestützte Ansatz stärkt die Qualität der Projekte und verringert die mit den großen Höhen oder den komplexen Geometrien verbundenen Unsicherheiten. Er gewährleistet, dass das Gebäude, einmal realisiert, die erwarteten Leistungen originalgetreu wiedergibt.

Den Komfort als Leistungskriterium konzipieren

Im Vorgehen von EOLIOS ist der Komfort keine Folge des Projekts: er wird zu einem zentralen Leistungskriterium. Die CFD-Studien integrieren die Begriffe des thermischen Komforts und der Strahlung schon ab der Entwurfsphase und begleiten Architekten und HLK-Ingenieure bei ihren Entscheidungen zur räumlichen Organisation, zur Luftverteilung und zur Transparenz der Fassaden. Dieser kollaborative Ansatz begünstigt einen integrierten Entwurf, in dem die physikalischen Zwänge zu architektonischen Chancen werden.

Der Rückgriff auf die Simulation bringt schließlich eine wesentliche Dimension der Vorhersagbarkeit: er gewährleistet, dass Komfort, thermische Stabilität und Energieleistung erreicht werden, unabhängig vom Betriebsmodus. Diese Beherrschung des Innenraumklimas vor der Realisierung stellt einen entscheidenden Vorteil für die Projekte von Atrien und großen Hallen dar, bei denen die Wahrnehmung der Räume direkt von der Qualität der thermischen und lichttechnischen Atmosphäre abhängt.

Kompetenz: Modellierung des Mikroklimas der Sportanlagen