CFD-Studie der Galerie de Paléontologie – MNHN
CFD-Studie der Galerie de Paléontologie - MNHN
Jahr
2025
Kunde
Natural History Museum of Paris
Lokalisierung
Paris
Typologie
Klimatechnik
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Der Auftrag von EOLIOS Engineering: Expertise in CFD-Simulation und lufttechnischem Komfort in historischen Gebäuden
Die Ingenieure von EOLIOS sind Experten auf dem Gebiet des thermischen und lufttechnischen Komforts in großen, denkmalgeschützten Gebäuden.
Das Fachwissen vonEOLIOS in der CFD-Simulation(Computational Fluid Dynamics) und der Optimierung des Raumklimas spielte eine Schlüsselrolle bei der Analyse und Verbesserung des lufttechnischen Komforts der Galerie de Paléontologie des Muséum National d’Histoire Naturelle (Nationales Naturhistorisches Museum). Unser Know-how ermöglichte es, das thermo-lufttechnische Verhalten dieses außergewöhnlichen Kulturerbes genau zu charakterisieren und konkrete Optimierungslösungen vorzuschlagen, die den Komfort der Bewohner, die Erhaltung der Sammlungen und die Einhaltung der architektonischen Auflagen miteinander in Einklang bringen.
EOLIOS ist ein führender Anbieter von CFD-Simulationen für Gebäude des Kulturerbes und große kulturelle Einrichtungen. Unsere Studien basieren auf Erfahrungen aus Messkampagnen unter realen Bedingungen und anerkannter Expertise in der Modellierung komplexer Volumen mit hohen thermischen Herausforderungen.
Paläontologische Galerie des MNHN: Die Herausforderungen des thermischen Komforts in einem denkmalgeschützten Gebäude
Große Volumen, denkmalgeschützte Fassaden, Besucher und Sammlungen: Warum der lufttechnische Komfort eine eigenständige technische Herausforderung ist
Gebäude mit kulturellem Charakter und Kulturerbe stellen eine besondere Herausforderung für den Luftkomfort dar. Die Galerie de Paléontologie des Muséum National d’Histoire Naturelle ist mit ihren großen Deckenhöhen, den offenen Volumen, die sich über mehrere Ebenen erstrecken, und den großen Glasflächen ein perfektes Beispiel für diese Realität.
Diese Eigenschaften führen zu verstärkten Phänomenen im Vergleich zu Standardgebäuden, insbesondere zu einer ausgeprägten thermischen Schichtung, bei der sich die warme Luft in der Höhe sammelt, was zu vertikalen Unterschieden von mehreren Grad führt. Hinzu kommen starke Einschränkungen durch das Kulturerbe, da die denkmalgeschützten Fassaden mögliche Eingriffe in die Gebäudehülle einschränken.
Die Anforderungen an die Aufbewahrung der Sammlungen kommen schließlich noch zum menschlichen Komfort hinzu, der eine Stabilität der Umgebungsbedingungen erfordert. Diese Besonderheiten machen den lufttechnischen Komfort in diesem Gebäudetyp zu einem komplexen technischen Problem, bei dem empirische Ansätze schnell an ihre Grenzen stoßen.
CFD in Museen: Visualisierung und Kontrolle von Luftströmen, wo herkömmliche Methoden an ihre Grenzen stoßen
Angesichts dieser Komplexität scheint der Einsatz von CFD(Computational Fluid Dynamics) aus mehreren, sich ergänzenden Gründen das geeignetste Werkzeug zu sein. Im Gegensatz zu vereinfachten Methoden, die globale Strömungen berechnen, ohne die lokale physikalische Realität darzustellen, bietet CFD eine vollständige dreidimensionale Sicht, die es ermöglicht, den Verlauf von Luftströmen, Rezirkulationszonen und Temperaturgradienten genau zu visualisieren und so die kritischen Punkte zu identifizieren, an denen Unbehagen herrscht und die von globalen Ansätzen nicht erfasst werden.
Sie ermöglicht es auch, mehrere Szenarien virtuell zu testen – Vergleich zwischen bestehendem und geplantem Gebäude, Änderung der Geometrie, Änderung der Regulierungsparameter – ohne Materialkosten oder Betriebsunterbrechung, wodurch kostspielige Planungsfehler, die im Nachhinein korrigiert werden müssen, vermieden werden. Die CFD integriert nativ die thermischen Kopplungen zwischen Sonneneinstrahlung, Leitung und Konvektion, die für die Bewertung der tatsächlichen thermischen Behaglichkeit, die von den Nutzern empfunden wird, wesentlich sind.
Schließlich sind die Farbvisualisierungen ein effektives Kommunikationsmittel zwischen den Projektbeteiligten, das das gemeinsame Verständnis von Problemen und die technische Begründung von Entscheidungen erleichtert. Im Rahmen dieser DCE-Phase ist sie daher eine unverzichtbare Voraussetzung für alle Eingriffe in das Lüftungssystem.
Die CFD-Simulation beschränkt sich nicht auf die Analyse der vorhandenen Luftströme, sondern ist in erster Linie ein Werkzeug zur Optimierung des Komforts. Durch die genaue Modellierung der von den Nutzern empfundenen Bedingungen – Luftgeschwindigkeit, Raumtemperatur, Temperaturschichtung – ermöglicht sie dieIdentifizierung von Bereichen, in denen Unbehagen herrscht, und das Testen von Korrekturlösungen vor der Durchführung von Bauarbeiten. In Räumen mit Publikumsverkehr wie der Paläontologischen Galerie, wo gelegentliche Besucher und ständiges Personal zusammenleben, ist die Fähigkeit, die Klimabedingungen zu antizipieren und zu verfeinern, ein entscheidender Vorteil, um die Wahl der Planung in Richtung leistungsfähiger und nachhaltiger Lösungen zu lenken.
Verstehen, analysieren, optimieren: die drei Schwerpunkte der CFD-Thermo-Luftstudie am MNHN
Die CFD-Studie von EOLIOS für die Paläontologische Galerie hat drei sich ergänzende Ziele.
Das erste zielt darauf ab, die thermo-lufttechnischen Phänomene zu verstehen, indem eine genaue Kenntnis des Verhaltens der Luft sowohl in der bestehenden als auch in der geplanten Konfiguration nach der Renovierung erlangt wird: Charakterisierung der Geschwindigkeitsfelder und Temperaturverteilungen, Identifizierung der vorherrschenden Übertragungsmechanismen in den verschiedenen Zonen und Hervorhebung der Wechselwirkungen zwischen den verschiedenen Ebenen des Gebäudes.
Das zweite Ziel ist die Analyse der Effizienz des Lüftungssystems durch die Bewertung seiner technischen Leistung: Überprüfung des Gleichgewichts zwischen Zuluft- und Abluftvolumenströmen und der Abwesenheit von Kurzschlüssen, Quantifizierung der tatsächlichen Luftwechselraten im Vergleich zu den theoretischen Werten, Erkennung möglicher Fehlfunktionen und Vergleich derEnergieeffizienz der verschiedenen simulierten Konfigurationen.
Das dritte Ziel istdie Identifizierung der Risiken für Unbehagen, um konkrete Elemente für das Wohlbefinden der Bewohner zu liefern: Kartierung der kritischen Bereiche, in denen die Geschwindigkeiten 0,4 m/s überschreiten oder die Temperaturen außerhalb des Bereichs von 18-25°C liegen, Bewertung des allgemeinen thermischen Komforts, Formulierung gezielter technischer Empfehlungen und Priorisierung der Maßnahmen nach erwarteter Wirkung und Durchführbarkeit.
Diese drei Achsen strukturieren die gesamte Arbeit, die in dieser Zusammenfassung vorgestellt wird, und spiegeln das Bestreben wider, dem Bauherrn eine klare, begründete und umsetzbare Vision der lufttechnischen Herausforderungen der Galerie zu geben.
Die EOLIOS-Methode: vom Feld zur Simulation, ein realitätsbezogener Ansatz
In-situ-Messungen und Rauchversuche: Feldaudit als notwendiges Fundament
Eine gründliche Prüfung wurde direkt in der Paläontologischen Galerie durchgeführt, um die thermo-lufttechnischen Phänomene unter realen Betriebsbedingungen genau zu charakterisieren. Messkampagnen wurden auf allen Ebenen durchgeführt, um die Luftgeschwindigkeiten, Temperaturen und Volumenströme an den Lüftungssystemen zu quantifizieren und so einen zuverlässigen und repräsentativen Anfangszustand für den Betrieb der Anlage zu erhalten. Qualitative Visualisierungen der Luftströmungswege wurden ebenfalls durchgeführt, um Rezirkulationszonen, parasitäre Strömungen und Fehlfunktionen der bestehenden Lüftungsanlagen zu identifizieren.
Über die Datensammlung hinaus ist dieses Audit vor Ort ein wichtiger Schritt, um das tatsächliche Verhalten des Gebäudes in seiner oft komplexen und eingeschränkten Umgebung zu erfassen. Sie ermöglicht es, theoretische Schemata und vorhandene HLK-Pläne mit der Realität vor Ort zu vergleichen und die Auswirkungen von Betriebspraktiken, architektonischen Zwängen, Wetterbedingungen und tatsächlicher Raumnutzung zu berücksichtigen, die in den technischen Unterlagen selten vollständig dokumentiert sind. Diese genaue Kenntnis des Standorts ist unerlässlich, um vereinfachende Modellannahmen zu vermeiden, die weit vom tatsächlichen Betrieb entfernt sind.
Die aus dem Audit resultierenden Beobachtungen vor Ort bildeten eine wichtige Grundlage für die Einspeisung , Kalibrierung und Validierung des numerischen CFD-Modells. Sie stellen sicher, dass die Simulation mit dem tatsächlichen Systemverhalten übereinstimmt, was die Zuverlässigkeit der Ergebnisse und die Relevanz der vorgeschlagenen Lösungen erhöht. Das Audit scheint daher eine unumgängliche Voraussetzung für die Analyse und nachhaltige Optimierung der Luftkomfortprobleme in diesem außergewöhnlichen Gebäude zu sein.
50 Millionen Flüssigkeitselemente: ein 3D-CFD-Modell der Paläontologischen Galerie mit hoher Wiedergabetreue
Das von EOLIOS entwickelte 3D-CFD-Modell basiert auf einer strengen geometrischen Grundlage, die aus den vorhandenen Bauplänen und den während desAudits vor Ort durchgeführten Erhebungen und Beobachtungen abgeleitet wurde. Dieser Schritt ist entscheidend: Die Qualität und Repräsentativität des Modells ist eine direkte Voraussetzung für die Relevanz der erzielten Ergebnisse.
Auf der Grundlage der gesammelten Daten entwickelte EOLIOS ein detailliertes Modell, das die gesamte Geometrie der Paläontologie-Galerie auf allen Ebenen – vom Gartengeschoss bis zum Dach – sowie alle Einrichtungen, die die Luftzirkulation des Geländes beeinflussen, umfasst: Auch alle architektonischen Elemente, die die Luftströme leiten, wie Ausstellungsvitrinen, Trennwände und Geländer in den Gängen.
Der geometrische Detailgrad wird sorgfältig ausgewählt, um die Elemente, die einen signifikanten Einfluss auf die Geschwindigkeits- und Temperaturfelder haben, genau zu repräsentieren, während die sekundären Details rationalisiert werden. Bei einem Netz von ca. 50 Millionen Fluidelementen garantiert dieses Gleichgewicht zwischen Genauigkeit und Vereinfachung die numerische Robustheit der Simulationen und Ergebnisse, die direkt für dieAnalyse und Entscheidungsfindung genutzt werden können.
Digitale Kalibrierung: Wenn die Simulation mit der Realität des Gebäudes konvergiert
In der Praxis ist der CFD-Ansatz Teil eines iterativen Prozesses, der in mehreren aufeinander folgenden Schritten strukturiert ist: Erstellung des geometrischen Modells, Definition der Randbedingungen und der thermo-physikalischen Eigenschaften, numerische Lösung,detaillierte Analyse der Strömungs- und Temperaturfelder. Dieser Zyklus wird durch eine Phase der Kalibrierung anhand von Feldmessungen ergänzt, bevor Iterationen zur Untersuchung von Verbesserungskonfigurationen eingeleitet werden.
Die Kalibrierungsphase ist ein wichtiger Schritt im CFD-Prozess: Sie stellt sicher, dass die Simulationsergebnisse mit dem tatsächlichen Verhalten des Systems übereinstimmen. Konkret geht es darum, die Randbedingungen und Modellannahmen – Zu- und Abluftvolumenströme, Oberflächentemperaturen der Wände und Schaufenster, Wetterbedingungen, Sonneneinstrahlung, interne Wärmequellen aufgrund der Belegung und der Ausstattung – anzupassen, um eine zufriedenstellende Übereinstimmung zwischen den berechneten Größen und den Messungen vor Ort während der Prüfung zu erreichen.
Sobald das Modell kalibriert und validiert ist, wobei die Konvergenz der Berechnungen durch ein Restkriterium von weniger als 10-⁴ belegt wird, wird es zu einem zuverlässigen Vorhersageinstrument, mit dem die Auswirkungen verschiedener Änderungen – Entwicklung der Volumenströme, Geometrie der Auslässe, Konfiguration der Lüftungssysteme – untersucht und die neue Dynamik der Strömung und Wärmeverteilung zur Unterstützung der technischen Entscheidungsfindung analysiert werden können.
CFD-Ergebnisse: Kartierung der Luftströme und Temperaturen unter Winter- und Sommerbedingungen
Sommer, Winter, Hitzewelle: Simulation von kritischen Szenarien, um den Komfort der Besucher zu antizipieren
Die numerische Simulation CFD ermöglicht es, das Verhalten der Luft im Inneren der Paläontologischen Galerie unter realistischen Bedingungen virtuell zu reproduzieren, ohne auf die entsprechenden Jahreszeiten warten zu müssen oder kostspielige und zeitaufwendige Messungen vor Ort durchzuführen. Durch die Definition repräsentativer Randbedingungen anhand der meteorologischen Daten der nächstgelegenen Station – Außentemperaturen, Sonneneinstrahlung, Betrieb der Lüftungssysteme – ist es möglich, das Verhalten des Gebäudes in so unterschiedlichen Situationen wie Sommerhitze oder Winterkälte zu erforschen.
Zwei kritische Szenarien wurden untersucht, um den Bereich des tatsächlichen Betriebs der Galerie einzugrenzen:
- Das Winterszenario, das den kältesten Außenbedingungen entspricht, ermöglicht es, zu überprüfen, ob das Heizungs- und Belüftungssystem eine angenehme Atmosphäre für Besucher und Personal aufrechterhalten kann und gleichzeitig die Energieverschwendung durch eine übermäßige Schichtung der warmen Luft in der Höhe begrenzt.
- Das Sommerszenario, das repräsentativ für Hitzeperioden ist, soll die Fähigkeit des Kühlsystems bewerten, die hohe Sonneneinstrahlung, die durch die Glasdächer und Fenster eindringt, zu kombinieren und trotz der hohen Wärmebelastung erträgliche Bedingungen zu gewährleisten.
Dieser dualistische Ansatz bietet dem Bauherrn einen vollständigen Überblick über die erwartete Leistung der Anlage, indem er nicht nur das durchschnittliche Verhalten, sondern auch potenziell ungünstige Situationen hervorhebt, die vorrangig behandelt werden sollten.
Isoflächen, Schnittzeichnungen, Unbehaglichkeitszonen: CFD-Ergebnisse lesen, um besser entscheiden zu können
Die Simulationen erzeugen dreidimensionale Karten der untersuchten physikalischen Größen – Luftgeschwindigkeit, Temperatur – die es ermöglichen, die Bereiche visuell zu lokalisieren, die den Anforderungen entsprechen und die Bereiche, die ein Risiko für Unbehagen darstellen. Diese Darstellungen, in Form vonfarbigen Isoflächen oder Schnittzeichnungen, sind ein Werkzeug für die direkte Kommunikation zwischen Ingenieuren und Entscheidungsträgern.
Die Analyse der Geschwindigkeitsfelder zeigt, dass die Strömungen auf verschiedenen Ebenen und in verschiedenen Bereichen sehr unterschiedlich sind. In den großen Räumen der Galerie sind die Geschwindigkeiten insgesamt niedrig, was zu einer ruhigen und stabilen Atmosphäre führt.
In den Sommermonaten tritt eine besondere Dynamik auf: Dieam Boden eingeleitete kalte Luft neigt dazu, sich in einer Schicht auszubreiten, bevor sie an den Wänden hochsteigt, was zu Aufwinden führt, die beim Passieren der Ausblasgitter manchmal störend wirken. Dieses Phänomen, das typisch für niedrig ausblasende Klimaanlagen ist, steht im Gegensatz zum Verhalten im Winter, wo die warme Luft natürlich und gleichmäßig aufsteigt.
Im Winter wirkt sich die thermische Schichtung eher zugunsten des Komforts aus: die warme Luft sammelt sich im oberen Teil (unter den Gewölben und dem Dach), während der Aufenthaltsbereich in einer temperierten Umgebung bleibt. Die geplante Konfiguration ermöglicht es, diese vertikale Schichtung im Vergleich zum bestehenden Zustand zu reduzieren, wodurch dieEnergieeffizienz und dieGleichmäßigkeit des Komforts verbessert werden.
Die Gegenüberstellung der beiden Szenarien ergibt eine insgesamt positive Bilanz der Konfiguration: Während der Winterbetrieb mit gut kontrollierten Komfortbedingungen auf allen Ebenen zufriedenstellend erscheint, zeigt das Sommerszenario gewisse Einschränkungen, die mit derthermischen Trägheit des Gebäudes und der Größe der Glasflächen zusammenhängen. Diese Feststellungen, die objektiv durch die Simulation hervorgehoben wurden, rechtfertigen die Vorschläge für zusätzliche Optimierungen, die im folgenden Abschnitt formuliert werden.
Optimierungsmöglichkeiten: Richtungsdüsen, Regulierung durch Belegung und Umverteilung der Verkehrsströme
Die Simulationen ergaben eine Reihe von konkreten Optimierungsmöglichkeiten, um den thermischen und lufttechnischen Komfort der Paläontologischen Galerie zu verbessern.
Der Einsatz vonZwischenluftauslässen ermöglicht eine gleichmäßigere Verteilung der Luftströme, bevor sie in den Räumen ankommen, wodurch die unangenehmen Bereiche, die durch zu hohe Luftgeschwindigkeiten entstehen, begrenzt werden.
Der Austausch der vorhandenen Luftverteilungsanlagen durch verstellbare Modelle bietet saisonale Flexibilität und ermöglicht eine Feinabstimmung der Luftverteilung auf die Außenbedingungen.
Die große Deckenhöhe und die Verbindung zwischen den Ebenen der Galerie führten zu der Entscheidung, die oberen Bereiche der Räume kontrolliert zu spülen. Dieses Prinzip, das die Mischung der Luftschichten fördert, ohne den Aufenthaltsbereich zu stören, erweist sich als besonders effizient in der Übergangszeit, in der eine natürliche Belüftung ausreicht, um zufriedenstellende Komfortbedingungen aufrechtzuerhalten.
Schließlich kann eine Regulierung der Lüftungsleistung, die sich an den tatsächlichen Besucherzahlen orientiert, das Verhältnis zwischen dem empfundenen Komfort und dem Energieverbrauch optimieren, indem sowohl Unterdimensionierungen als auch Überbelüftungen, die störende Zugluft erzeugen, vermieden werden.
Der Austausch der vorhandenen Übertragungsanlagen durch Modelle mit verstellbarer Ausrichtung würde eine flexible Nutzung je nach Jahreszeit ermöglichen.
Feldaudit und numerische Simulation: CFD als Entscheidungshilfe für Renovierung ohne Verfälschung
Diese von EOLIOS durchgeführte CFD-Studie über die Paläontologie-Galerie des MNHN ermöglichte es, das thermo-lufttechnische Verhalten eines komplexen Kulturerbes mit Hilfe numerischer Simulation zu objektivieren. Durch eine Kombination aus einem gründlichen Feldaudit und einer High-Fidelity-Modellierung wurden die Luftstromdynamik und die charakteristische Wärmeverteilung des Gebäudes sowohl im Winter als auch imSommer aufgezeigt.
Die Ergebnisse unterstützen die Überlegungen des Bauherrn, indem sie Bereiche identifizieren, die besondere Aufmerksamkeit verdienen, und mögliche Verbesserungsmaßnahmen vorschlagen. Sie veranschaulichen den Beitrag der Simulation als Entscheidungshilfe: Sie bietet eine vorausschauende Vision des Betriebs der geplanten Anlage und trägt so dazu bei, die Planungsentscheidungen zu sichern und die Abwägungen zwischen Leistung, Vermögen und Investitionen zu erhellen.
EOLIOS Engineering Expertise in der Lösung von thermischen und lufttechnischen Problemen in historischen Gebäuden
Empfehlungen für jedes Projekt
Dank seiner Erfahrung in der numerischen Simulation von großen Kulturdenkmälern konnte EOLIOS mehrere konkrete und hierarchische Optimierungslösungen vorschlagen, um den thermo-lufttechnischen Komfort in der Paläontologischen Galerie des MNHN zu verbessern. Direkt einsetzbare Hebel wurden identifiziert, wie z.B. die Installation vonZwischendiffusoren, der Austausch der vorhandenen Geräte durch Modelle mit verstellbarer Ausrichtung oder die Regulierung des Luftstroms in Abhängigkeit von den tatsächlichen Besucherzahlen. Für die Zwischenzeiten wurden auch zusätzliche Maßnahmen wie die kontrollierte Reinigung der oberen Teile des Volumens in Betracht gezogen.
Die gewählten Lösungen wurden rigoros simuliert und bewertet, so dass ihre Auswirkungen auf den Komfort der Besucher und des Personals sowie auf den Energieverbrauch der Einrichtung genau quantifiziert werden konnten. Dieser iterative Ansatz, der ein Audit vor Ort mit einer High-Fidelity-Modellierung kombiniert, garantiert Empfehlungen, die in der Realität des Gebäudes verankert sind und direkt für die DCE-Phase genutzt werden können.
Dank dieser Studie konnte EOLIOS die lufttechnischen Herausforderungen der Galerie objektivieren und die Abwägungen zwischen Leistung, Vermögen und Investition aufklären. Dieser Ansatz trägt dazu bei, die Entscheidungen für das Design abzusichern und dem Bauherrn eine vorausschauende und zuverlässige Vision des Betriebs der geplanten Anlage zu geben, im Dienste eines außergewöhnlichen Kulturerbes, das allen offen steht.
Videozusammenfassung der Studie
Zusammenfassung der Studie
Die von EOLIOS Engineering durchgeführte Studie konzentriert sich auf diethermo-lufttechnische Optimierung der Galerie de Paléontologie des Muséum National d’Histoire Naturelle mit Hilfe von CFD-Simulationen(Computational Fluid Dynamics). Dieser Ansatz ermöglicht die Visualisierung und Analyse der Luftverteilung und der Temperaturfelder innerhalb dieses außergewöhnlichen Kulturerbe-Volumens, das sich über mehrere Ebenen vom Gartengeschoss bis zum Dach erstreckt. Das Video lässt Sie in das High-Fidelity-3D-Modell der Galerie eintauchen, in dem die charakteristischen Temperatur-Isoflächen für die verschiedenen simulierten Szenarien – Winter und Sommer – dargestellt werden. EOLIOS kombinierte ein gründliches Audit vor Ort, einschließlich Messkampagnen vor Ort und Rauchversuchen, mit einer kalibrierten numerischen Modellierung mit fast 50 Millionen Fluidelementen, um eine genaue Darstellung der realen Phänomene zu gewährleisten. Dieser Ansatz ermöglichte es, mehrere konkrete Optimierungshebel zu identifizieren – zwischengeschaltete Diffusionselemente, verstellbare Ausrüstungen, Regulierung nach Besucherzahlen -, um den Komfort der Besucher und des Personals zu erhöhen und gleichzeitig die denkmalgeschützten Auflagen dieses denkmalgeschützten Gebäudes zu respektieren. Diese Studie zeigt den entscheidenden Beitrag der CFD-Simulation als Entscheidungshilfe für die Renovierung und Optimierung von großen, denkmalgeschützten Kultureinrichtungen.
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