Einführung

Übergeordnetes Ziel aller Raumklimasimulationen (englisch HVAC=Heating, Ventilation and Air-Conditioning) ist die Frage, ob sich die Personen in dem Raum, Auto, Zug oder Flugzeug wohlfühlen ("thermal comfort"). In Büroräumen sind z.B. neben Zu- und Abluft auch die Wärmeströme durch Wände und Fenster und von technischen Geräten (z.B. Computer) und von den Personen selber zu berücksichtigen.

Die "Wärmequelle" Mensch (ca. 80 W) wird häufig als vorgegebener Oberflächenwärmestrom modelliert. In Wirklichkeit ist der menschliche Körper jedoch ein komplexes System aus verschiedensten Zelltypen, einem Blutkreislauf und Atmung, das über Schwitzen, Frieren und Veränderung der Durchblutung seinen Wärmehaushalt reguliert.

Modellierung des Wärmehaushalts

In der Literatur sind verschiedene Ansätze zur Modellierung des Wärmehaushalts des Menschen bekannt. Im Tanabe-Modell wird der Körper in 16 Segmente aufgeteilt, jedes Segment wiederum in die vier Schichten Haut, Fett, Muskeln und Kern; zwischen den Schichten und zu einem zentralen Blutkreislauf wird Wärme ausgetauscht. Die Wärmeregulierung wird durch zusätzliche Wärmequellen und -senken und veränderte Leitwerte berücksichtigt. Solche thermischen Simulationen sind ein typisches Anwendungsgebiet für SINDA/G.

Mathematisch ergibt sich ein System von 65 gekoppelten, nichtlinearen, gewöhnlichen Differentialgleichungen. In SINDA/G wird der Körper durch Diffusionsknoten mit Wärmequellen dargestellt, Randknoten koppeln die Diffusionsknoten an ihre Umgebung.

Kopplung an Ansys CFX

In einem internen Forschungsprojekt wurde für die ersten gekoppelten Simulationen mit Ansys CFX für Strömung und Wärmetransport im Raum und SINDA/G für den Wärmehaushalt des Körpers in Perl eine Datei-basierte Kopplung realisiert. Hierbei wird in Ansys CFX eine Wärmeflussrandbedingung, in SINDA/G eine Temperaturrandbedingung gesetzt.

Die bisherigen Ergebnisse sind vielversprechend; nötige Erweiterungen sind:

• Berechnung der Behaglichkeit
• Implementierung von Feuchtigkeitstransport
• Erstellung einer Datenbank für verschiedene Menschen und Kleidungen
• Validierung
• Erweiterung auf mehrere (verschiedene) Personen
• Umstellung des Datenaustauschs auf MPI oder PVM

Ihr Ansprechpartner für weitergehende Informationen ist Dr. Andreas Spille-Kohoff (T 030 / 293 811 - 30).