Projekt 15531/01

Kopplung von thermischer Gebäudesimulation und Raumluftströmungssimulation mit CAAD-Programmen über den IFC-Standard zur energetischen Gebäudeoptimierung

Projektdurchführung

Konrad-Zuse-Zentrum für Informationstechnik Berlin
Takustr. 7
14195 Berlin

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Die energetische Optimierung von Gebäuden durch begleitende Simulationsuntersuchungen werden häufig im Planungsprozess nicht durchgeführt, da wegen unbefriedigten oder nicht vorhandenen Möglichkeiten des Datenaustausches zwischen Architekturkonstruktionsprogrammen (CAAD) und Gebäudesimulationsprogrammen die Beschaffung und Eingabe der notwendigen Gebäudedaten zu zeitaufwendig und umständlich ist. Hierdurch werden wesentliche Energieeinspar- und damit Umweltentlastungspotentiale verschenkt. Daher sollen in dem Projekt drei bestehende Softwareprogramme aus den Bereichen CAAD, thermische Gebäudesimulation und Raumluftströmungssimulation zu einem gemeinsamen praxistauglichen Planungswerkzeug zur energetischen Analyse und Optimierung von Gebäuden zusammengeführt werden. Die Kopplung zwischen den Programmen erfolgt hierbei über ein zukunftgerichtetes international verbreitetes Datenaustauschformat, den IFC-Standard der IAI.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenIn der ersten Projektphase werden die IFC-Schnittstellen sowie die Mensch-Maschine-Schnittstellen in den drei Teilprogrammen CAAD (CADKON), thermische Gebäudesimulation (SMILE) und Raumluftströmungssimulation (KASKADE/AMIRA) spezifiziert. Dies setzt einen intensiven Diskussionsprozess zwischen den drei Projektbeteiligten voraus. Ergebnis dieser etwa 6-monatigen Arbeitsphase ist ein De-signpapier mit einer detaillierten Beschreibung der Spezifikation der Schnittstellen.
In der zweiten Projektphase, für die ca. 10 Monate vorgesehen sind, werden die Schnittstellen in den einzelnen Programme implementiert. Die Implementierungen werden zunächst lokal, d. h. an den einzelnen Programmen auf ihre gewünschte Funktionalität getestet, bevor das gesamte Programmpaket mit Hilfe eines einfachen Gebäudebeispiels einem Integrationstest unterworfen wird.
In der dritten Projektphase, die sich über den Rest der Projektlaufzeit erstreckt, wird das Programmpaket bei der energetischen Analyse und Optimierung realer komplexer Gebäuden getestet. Hierbei wird mit Architektur- und Ingenieurbüros kooperiert, welche die CAAD-Zeichnungen aus der Planungspraxis bereitstellen und gleichzeitig auch das Programmpaket auf Anwendertauglichkeit überprüfen, was gegebenenfalls zu einer Überarbeitung von Programmteilen führen kann.


Ergebnisse und Diskussion

Das CAAD-Programm ADT/CADKON-DT wurde um für die energetische Gebäudesimulation wichtige Funktionen ergänzt. Die neuen Funktionen konnten erst zum Teil im Softwareverbund getestet werden, da ein Teil der hierdurch zusätzlichen im ADT-Modell enthaltenen Informationen derzeit noch nicht über die IFC-Schnittstelle übertragen werden können. Für das Projekt äußerst wichtige Parameter und Relati-onen zwischen den Objekten werden nicht oder nur teilweise vom ADT über die Schnittstelle exportiert. Das bedeutet, dass die Übertragung dieser Informationen entweder in ADT/CADKON-DT dazuprogrammiert werden muss oder die fehlenden Informationen nach der Datenübergabe aus den übertragenen Informationen generiert werden müssen.
Grundsätzlich kann als Ergebnis festgehalten werden, dass das IFC-Produktmodell sehr gut geeignet ist, geometrische, topologische und bauphysikalische Daten vom CAAD-Programm zu den Programmen der energetischen Gebäudesimulation zu übertragen. Als Schwachpunkt stellte sich die bisher noch ungenügende Anbindung des ADT-Objektmodells an das IFC-Objektmodell heraus. Als weitere Schwierigkeit zeigte sich die Abhängigkeit von Drittanbietern bezüglich der ADT/IFC-Schnittstelle.
Im Projekt wurde eine einseitige Kopplung zwischen thermischer Gebäudesimulation und Raumluftströmungssimulation realisiert und an zwei Fallbeispielen erfolgreich getestet. Mit der realisierten Benutzerschnittstelle zur Simulation konnte gezeigt werden, dass die Bearbeitungskette ausgehend vom IFC-Datenimport über die Parameterergänzung, die Konfigurierung der Simulationsprogramme, die Simulationsdurchführung bis hin zur Aufbereitung der Simulationsergebnisse durchgängig unterstützt werden kann. Für den Einsatz in der Simulationspraxis ist die Benutzerschnittstelle noch nicht geeignet, da hierfür wichtige Grundfunktionalitäten nicht implementiert sind.
Das im Projekt entwickelte Programmpaket wurde erfolgreich an zwei Anwendungsbeispielen (Zweiraum- und Siebenraumgebäude) getestet. Mit dem einfachen Zweiraumgebäude konnte bereits ein gro-ßer Teil der grundlegend zu lösenden Probleme, wie die Topologiebehandlung mehrzoniger Gebäude oder die automatische Gittererzeugung komplexer Raumgeometrien getestet werden. Die Tests mit dem geometrisch komplexeren Siebenraumgebäude rührten zu einer notwendigen Überarbeitung der Algorithmen für die Flächenanalyse und Flächenaufbereitung, wodurch das Programmpaket in der Lage ist, Gebäudegeometrien mittlerer Komplexität zu bearbeiten.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Projektergebnisse wurden in mehreren Artikeln und auf Symposien Thermische Solarenergie und beim internationalen Kongress für Gebäudesimulation in Eindhoven/NL veröffentlicht.


Fazit

Es ist mit der prototypisch implementierten Programmintegration gelungen, einen weitgehend automatisierten Datenfluss von einem CAAD-System zu zwei typischen Programmen zur energetischen Gebäudesimulation zu realisieren, womit das Hauptprojektziel erreicht wurde. Hierdurch kann die Konfigurierung der Gebäudesimulationsprogramme mit den notwendigen geometrischen, topologischen und bau-physikalischen Parametern mit einem Bruchteil des bisherigen Zeitaufwandes erfolgen.
Der im Projekt gegangene Lösungsweg ist aufgrund der Verwendung des international standardisierten IFC-Datenaustauschformats prinzipiell auch auf andere CAAD-Systeme und Simulationsprogramme anwendbar. Die Bedienung des Programmverbunds wird durch eine grafische Benutzerschnittstelle zur Simulation unterstützt. Somit wurden im Projekt Wege aufgezeigt, die zukünftig basierend auf einer CAAD-Gebäudekonstruktion energetische Gebäudesimulationen und damit eine energetische Gebäudeoptimierung schnell und flexibel durchgeführt werden können.