Simulationsbasierte Untersuchung eines energieeffizienten Klimatisierungssystems für Fabrikgebäude mit Glasfassaden

Die energieeffiziente Klimatisierung von Fabrikgebäuden mit großen Glasfassaden ist ein zentrales Thema in der modernen Architektur und Fertigungstechnik. Glasfassaden bieten nicht nur ästhetische Vorteile, sondern auch eine verbesserte natürliche Beleuchtung. Jedoch bringen sie auch erhebliche Herausforderungen mit sich, insbesondere in Bezug auf den Energieverbrauch. In den Sommermonaten kann die direkte Sonneneinstrahlung durch die Glasflächen zu großen Temperaturschwankungen innerhalb der Hallen führen, was intensive Klimatisierungsmaßnahmen erforderlich macht. Diese Klimatisierungssysteme haben jedoch oft einen hohen Energiebedarf. Dieser treibt nicht nur die Betriebskosten in die Höhe, sondern hat auch negative Auswirkungen auf die Umwelt. Ziel dieser Untersuchung ist es, die thermischen Auswirkungen der Sonnenstrahlung auf Fabrikhallen mit Glasfassaden zu analysieren und durch den Einsatz von Computational Fluid Dynamics (CFD) neue Ansätze für energieeffiziente Klimatisierungskonzepte zu entwickeln.

Aktueller Stand der Technik

Die energieeffiziente Klimatisierung von Produktionshallen hat in den letzten Jahren an Bedeutung gewonnen [1], da Unternehmen zunehmend auf Nachhaltigkeit und Ressourcenschonung achten. Die Forschung verdeutlicht das Potenzial von Simulationsmodellen und Optimierungsmethoden den Energieverbrauch signifikant zu senden. So haben Studien, wie die von Schulze und Spath (2012) [2], gezeigt, dass durch angepasste Luftströme der Energieverbrauch erheblich gesenkt werden kann. Behrendt und Verl (2014) [3] betonen die Vorteile flexibler und adaptiver Steuerungen von HVAC-Systemen, die in der Lage sind, sich in Echtzeit an die jeweiligen Bedingungen in der Produktionsumgebung anzupassen. Diese Ansätze ermöglichen eine präzisere Kontrolle des Energieverbrauchs und tragen somit zur Effizienzsteigerung bei. Zudem zeigen Untersuchungen von Weller und Brecher (2018) [4], wie Simulationen zur Analyse und Optimierung von HVAC-Systemen in industriellen Umgebungen eingesetzt werden können. Diese Studien bilden die Grundlage für die vorliegende Untersuchung, die darauf abzielt, innovative Lösungen für die Klimatisierung von Fabrikhallen zu entwickeln.

Ansatz zur Berechnung der Auswirkungen von Sonnenstrahlung

Die Klimatisierung eines Gebäudes ist stark von den äußeren klimatischen Bedingungen abhängig. Besonders Fabrikgebäude mit Glasfassaden sind anfällig für thermische Wechselwirkungen, da die Sonnenstrahlung die Temperaturverteilung innerhalb des Gebäudes erheblich beeinflussen kann. Um diese Auswirkungen zu quantifizieren, erstellten wir ein stark vereinfachtes 3D-Modell in ANSYS Fluent. In diesem Modell haben wir die Gebäudehülle als ein Kubus mit Glasfassade und einem Dach aus einem Glas-Beton-Mix dargestellt. Die Simulation berücksichtigt die meteorologischen Bedingungen eines heißen Sommertages, um die realistischen Auswirkungen der Sonnenstrahlung auf die Temperaturverteilung und den Luftstrom in der Halle zu bewerten. Ziel ist es, ein besseres Verständnis für die thermischen Bedingungen innerhalb der Halle zu entwickeln und die daraus resultierenden Herausforderungen für die Klimatisierung zu identifizieren.

Berechnung der Klimatisierung am Beispiel einer Fabrikhalle

Analyse der Hallenarchitektur und Klimatisierung

Die zu untersuchende Halle hat eine L-förmige Anordnung und ist von Glasfronten umgeben [5]. Die Dachkonstruktion weist zahlreiche Oberlichter auf, welche zusätzliches Tageslicht spenden. In der Mitte der beiden Flügel befinden sich Büroräume, die ebenfalls von der Temperaturregulierung betroffen sind. Für die Analyse wurde der Fokus auf die Belüftungsleistung der über 500 Lüftungsschlitze im Fußboden gelegt, durch die frische Luft in die Halle eingeführt wird. Um die Herausforderungen der feinen Geometrien der Lüftungsschlitze zu meistern, ist es notwendig, diese im Modell darzustellen und den Luftvolumenstrom zu berechnen. Dies erfordert eine sorgfältige Planung und Modellierung, um sicherzustellen, dass das Belüftungssystem effizient arbeiten kann und die thermischen Anforderungen der Halle erfüllt.

Abbildung 1. Geometrie einer Fabrikhalle mit integriertem Klimatisierungssystem (© eigene Darstellung, Glänzel et al., 2024, mit ANSYS Fluent erstellt)

Modellierung und Gestaltung der Lüftungsschlitze

Um die Leistung der Lüftungsschlitze zu bestimmen, erstellten wir zunächst ein detailliertes Modell eines einzelnen Lüftungseinlasses. Dieses Modell zeigt die Struktur der feststehenden Rotorblätter, die den Luftstrom lenken und verwirbeln.

Abbildung 2. Detailliertes Simulationsmodell für das Ventilationssystem (© eigene Darstellung, Glänzel et al., 2024, mit ANSYS Fluent erstellt)

Zur Optimierung der Berechnungseffizienz, erstellten wir geometrische Vereinfachungen. Dabei achteten wir darauf, dass die Vereinfachungen die Strömungsdynamik nicht negativ beeinflussen. Die Ergebnisse der ersten Berechnungen zeigen einen signifikanten Einfluss der Struktur der Lüftungsschlitze, insbesondere des Gitters, auf die Luftströmungsgeschwindigkeit. Diese Erkenntnisse sind entscheidend für die spätere Dimensionierung des gesamten Belüftungssystems.

Berechnung des thermischen Verhaltens einer Fabrikhalle

Gesamtmodell und Vernetzung

Nach den ersten Untersuchungen wurde das Gesamtmodell der Fabrikhalle erstellt, welches über 500 Lüftungsschlitze als Einlässe für die Strömungssimulation umfasst. Die Materialmodelle für die Glasfassade und die Metallstrukturen definierten wir, um realistische Bedingungen zu schaffen. Darauf aufbauend berechneten wir die Simulationsergebnisse für die Temperaturverteilung an einem heißen Sommertag. An Sommertagen ist die Sonneneinstrahlung durch die Glasfassaden am intensivsten, was zu einem signifikanten Anstieg der Bodentemperaturen in der Fabrikhalle führt. Diese Temperaturerhöhungen haben nicht nur Auswirkungen auf die Klimatisierung, sondern auch auf den Komfort der Mitarbeiter und die Effizienz der Produktionsprozesse.

Abbildung 3. Vernetzung der Fabrikebene (© eigene Darstellung, Glänzel et al., 2024, mit ANSYS Fluent erstellt)

Ergebnisse

Unsere Simulationsergebnisse zeigen, dass die Raumtemperatur in der Fabrikhalle zwischen 22°C und 25°C variiert. Die Belüftungsanlage mit einer Zulufttemperatur von 21°C spielt eine entscheidende Rolle bei der Regulierung der Raumtemperatur. Besonders in Bereichen, welche direkt von der Sonnenstrahlung betroffen sind, können die Temperaturen jedoch bis zu 25°C steigen. Diese Erkenntnisse sind wichtig, um kritische Bereiche innerhalb der Halle zu identifizieren, in denen die Temperaturen besonders hoch sind und folglich Maßnahmen zur Verbesserung der thermischen Behaglichkeit ergriffen werden müssen.

Abbildung 4. Querschnittsdarstellung der resultierenden Temperaturverteilung der Halle (© eigene Darstellung, Glänzel et al., 2024, mit ANSYS Fluent erstellt)

Fazit und Ausblick

Die vorliegende Studie hat die Auswirkungen der Sonnenstrahlung auf die Klimatisierung von Fabriken mit Glasfassaden klar aufgezeigt. Die entwickelten Simulationsmodelle bieten wertvolle Einsichten in die thermischen Wechselwirkungen und können zur Entwicklung effizienter Klimatisierungskonzepte beitragen. Zukünftige Forschungen sollen die Simulation erweitern, um verschiedene Szenarien zu analysieren, wie beispielsweise die Berücksichtigung transienter Temperaturprofile, die den Tag-Nacht-Zyklus abbilden. Darüber hinaus soll die Integration von Sonnenschutzfilmen in das Modell untersucht werden, um einen erheblichen Teil der Sonnenstrahlen zu absorbieren und somit die Energieeffizienz weiter zu steigern.

Insgesamt verdeutlicht diese Untersuchung das Potenzial moderner Simulationsmethoden, um die Herausforderungen der Klimatisierung in modernen Fabrikgebäuden mit Glasfassaden zu bewältigen und nachhaltige Lösungen zu entwickeln, die sowohl den Energieverbrauch senken als auch den Komfort der Mitarbeiter erhöhen.

Headerbild: Am 27.10.25 via ChatGPT-5 erstellt.

Referenzen: