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Software for heat transfer and ground heat

HEAT3 - Heat transfer in three dimensions

Einführung

HEAT3 ist ein PC-Programm für dreidimensionale stationäre und instationäre Wärmeleitung. Typische Anwendungen sind die Berechnung von Temperaturen, Wärmeströmen und Wärmebrückenverlustkoeffizienten im Bereich von dreidimensionalen Wärmebrücken, wie z.B. Fensterrahmen und Fensteranschlägen, erdberührten Bauteilen oder beheizten Bauteilen. Die Berechnungsergebnisse ermöglichen unter anderem eine Beurteilung des Tauwasser- und Schimmelrisiko auf Bauteiloberflächen, die Ermittlung der Temperaturverteilung innerhalb von Bauteilen oder die Ermittlung von Wärmeverlusten.

Die numerische Lösung der Differenzialgleichungssysteme zur Wärmeleitung erfolgt durch ein Finite-Differenzen-Verfahren. Im Fall der stationären Wärmeleitung wird eine sukzessive Überrelaxationstechnik angewendet.

HEAT2 und HEAT3 sind nach EN ISO 10211-1 "Wärmebrücken im Hochbau - Wärmeströme und Oberflächentemperaturen - Teil 1: Allgemeine Berechnungsverfahren" validiert. Die Berechnungsergebnisse von HEAT2 und HEAT3 entsprechen den in EN ISO 102111-1 Anhang A dargestellten Prüfreferenzfällen. Die Programme werden deshalb nach EN ISO 10211 als genaue Verfahren eingestuft. Zwei der Prüfreferenzfälle sind in den Handbüchern zu HEAT2 und HEAT3 dargestellt, siehe Seite 138 (HEAT2 Version 5.0) bzw. Seite 126 (HEAT3 Version 4.0).

HEAT3 kann zur Analyse der meisten baupraktischen Konstruktionsdetails bzw. Wärmebrücken verwendet werden. Eine wichtige Einschränkung ist jedoch, daß das Problem in einem orthogonalen Raster beschrieben werden muß, d.h. alle Oberflächen müssen parallel zu einer der Ebenen des rechwinkligen kartesischen Koordinatensystems sein. Bei schrägen oder gekrümmten Flächen müssen deshalb Idealisierungen getroffen werden (z.B. Abtreppung der Flächen).

Für einen normal komplizierten Fall benötigt ein erfahrener Anwender etwa 15 - 30 Minuten, um die Geometrie, das numerische Raster und die Umgebungsbedingungen einzugeben. Die Berechnungszeit beträgt für stationäre Fälle in der Regel nur wenige Sekunden bis Minuten.
HEAT3 bietet aufgrund von Code-Optimierungen für Pentium 2-, 3- und 4-Prozessoren eine hohe Rechengeschwindigkeit. Die Anzahl der numerischen Knoten wird nur durch den zur Verfügung stehenden Arbeitsspeicher (RAM) begrenzt. Die Standardversion, mit der Probleme bis 1 Million (100·100·100) Knoten berechnet werden können, benötigt einen freien Arbeitsspeicher von 64 MB. Bei 2 GB RAM können mit einer Spezialversion von HEAT3 mehr als 50 Millionen Knoten berechnet werden.

Das Programm verfügt über eine komfortable grafische Eingabe und Ausgabe. Es können das geometrische Modell, das numerische Netz, die Randbedingungen, das Temperaturfeld und die Wärmeströme zwei- und dreidimensional betrachtet und ausgedruckt werden. Die grafische Oberfläche ermöglicht sowohl eine Betrachtung von allen Seiten sowie auch Vergrößerungen interessanter Details. Bei instationären Berechnungen können Wärmeströme und Temperaturen aufgezeichnet und für weitere Auswertungen, z.B. für die Bestimmung thermischer Antwortfunktionen, verwendet werden.

Die für die Berechnung erforderliche Materialkennwerte können aus einer Datenbank übernommen werden. HEAT3 Version 4.0 benutzt die gleiche Materialdatenbank wie HEAT2. Es sind Kennwerte für etwa 1200 Materialien verfügbar. Eine separate Baustoffdatenbank auf der Grundlage der deutschen Norm DIN V 4108-4 umfaßt etwa 200 Baustoffe. Die Materialeigenschaften können auf einfache Weise bearbeitet oder ergänzt werden.


Übersicht einiger Programmmerkmale

 

· Ein integrierte grafische Eingabeoberfläche (Preprozessor) erleichtert die Eingabe.

· Materialeigenschaften können auf einfache Weise bearbeitet und ergänzt werden. Es stehen verschiedene Listen zur Verfügung. Die Liste Default.mtl enthält etwa 200 übliche Baustoffe. Die Liste General.mtl enthält über 1200 Materialkennwerte. Außerdem steht eine Datei mit über 200 Baustoffen aus DIN V 4108-4 zur Verfügung.

· Umfangreiche grafische Fähigkeiten wie Darstellung von Geometrie, Materialkennwerten, Berechnungsnetz, Randbedingungen, 2D- und 3D- Temperatur- und Wärmestromfeldern. Zoom, Schwenken, Rotation, Farb- und Grauabstufung sowie Druck mit hoher Auflösung ist möglich. Wärmeströme und Temperaturen können aufgezeichnet und während der Simulation gezeigt werden. Darstellungen von Wärmeströmen können helfen Wärmebrücken zu ermitteln und die Konstruktion durch Optimierung der Dämmung zu verbessern.

· Eine Speicherfunktion kann in festgelegten Intervallen Temperaturen bzw. Wärmeströme an festgelegten Punkten sowie Wärmeströme über die Begrenzungsflächen aufzeichnen.

· Es steht eine einfache Option zur Generierung des Berechnungsnetzes zur Verfügung. Das Raster kann auf einfache Weise verändert werden.

· Es kann praktisch jede Konstruktion simuliert werden, die aus angrenzenden oder überlappenden Quadern jeder beliebigen Materialkombination besteht.

· Randbedingungen können entweder über eine Lufttemperatur mit einem Wärmeübergangswiderstand oder über einen vorgegebenen Wärmestom definiert werden.

· Die Temperaturen und Wärmeströme können zeitabhängig sein. Es sind folgende Funktionen möglich: Sinusfunktion, schrittweise konstant oder linear. Die Daten können von Programmen wie Excel importiert oder dahin exportiert werden. Klimadaten können in verschiedenen Formaten importiert werden (TRNSYS, METEONORM, HELIOS, DOE, TMY2 - Typisches Meteorologisches Jahr, SUNCODE, MATCH).

· Wärmequellen/-senken können angegeben werden.

· Das berechnete Temperaturfeld kann gespeichert und leicht in andere Programme wie Matlab übertragen werden.

 

 

Grafische Eingabeoberfläche (Preprozessor) und grafische Ausgabe (Postprozessor)

 


Der Preprozessor im CAD-Stil erleichtert das Eingabeverfahren. Die folgenden Bilder geben einen Überblick über das Pre- und Postprozessing.

 

http://www.buildingphysics.de/grafik/heat3/heat3_1.jpg

http://www.buildingphysics.de/grafik/heat3/heat3_4.jpg

 

Eine im Preprozessor gezeichnete Parkbank. Die obere Darstellung zeigt
die (x,y)-Ebene und die untere die (x,z)-Ebene.



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http://www.buildingphysics.de/grafik/heat3/heat3_5.jpg

 

Der Postprozessor zeigt eine 3D-Ansicht, hier der Materialien (oberes Bild) und
die Randbedingungen (unteres Bild).



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Berechnetes Temperaturfeld (oben) und Wärmestrom (unten)



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Temperaturverlauf bei instationärer Berechnung während der ersten drei Stunden
an einem Punkt 2 cm unter dem Sitz. Die Randbedingung für den Sitz ist 35 °C
und die Ausgangstemperatur der Bank 20 °C. Am Ende des Aufheizvorgangs
stellt sich am betrachteten Punkt eine Temperatur von 31,45 °C ein (stationärer Zustand).



http://www.buildingphysics.de/grafik/heat3/heat3_3.gif

 

Wärmestrom durch den Sitz bei instationärer Berechnung. Die Randbedingung
für den Sitz ist 35 °C und die Ausgangstemperatur der Bank 20 °C. Am Ende
des Aufheizvorgangs stellt sich am betrachteten Punkt ein Wärmestrom
von 49,7 W ein (stationärer Zustand).

 

Die folgende Abbildung zeigt eine Stahlkonstruktion, der innerhalb eines Wand-Dach-Anschlusses liegt

 

http://www.buildingphysics.de/grafik/heat3/heat3_1.gif

 

Die folgende Abbildung zeigt eine Stahlkonstruktion, der innerhalb eines Wand-Dach-Anschlusses liegt

 

Randbedingungen

 

http://www.buildingphysics.de/grafik/heat3/heat3_7.jpg

 

Berechnetes Temperaturfeld entlang der Stahlkonstruktion
(alle anderen Wand- und Dachbaustoffe sind hier nicht dargestellt).