IFC-based analysis of present and future thermal comfort using building energy performance simulation and computational fluid dynamics

Richter, Veronika Elisabeth; Frisch, Jérôme; Hopfe, Christina Johanna

doi:HT031175658

IFC-based analysis of present and future thermal comfort using building energy performance simulation and computational fluid dynamics

Richter, Veronika Elisabeth^RWTH*

2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Veronika Elisabeth Richter

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak03

Hauptberichter/Gutachter
Frisch, Jérôme (Thesis advisor)^RWTH* ; Hopfe, Christina Johanna (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-06-23

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-05670
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1013735/files/1013735.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Energieeffizientes Bauen (312410)

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
IFC (frei) ; building energy performance simulation (BEPS) (frei) ; building information modeling (BIM) (frei) ; computational fluid dynamics (CFD) (frei) ; indoor thermal comfort (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 624

Kurzfassung
Um die Auswirkungen des Klimawandels auf Ökosysteme und Menschen abzumildern, müssen die Treibhausgasemissionen reduziert werden. Um diese Reduzierung zu erreichen, haben politische Organisationen wie die Europäische Union (EU) Ziele für die Emissionsreduzierung festgelegt, die auf nationaler Ebene ratifiziert werden. In den letzten Jahren hat Deutschland seine Ziele verfehlt, was unter anderem auf den Energieverbrauch von Gebäuden durch deren Heiz- und Kühlbedarf zurückzuführen ist. Geeignete Simulationen ermöglichen die Erfassung der dynamischen thermischen Performance von Gebäuden, die nicht nur zur Bewertung der Energieeffizienz, sondern auch zur Vorhersage des thermischen Komforts in Innenräumen als treibender Faktor für den Einsatz von Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen (HLK) verwendet werden kann. In früheren Forschungsarbeiten wurde jedoch kritisiert, dass der Modellerstellung für thermisch-energetische Gebäudesimulationen (engl.: Building Energy Performance Simulation, BEPS) und Strömungssimulationen (engl.: Computational Fluid Dynamic, CFD) ein hoher manueller Aufwand vorausgeht, was ihre Verwendung im Entscheidungsprozess für energieeffiziente Gebäudedesigns einschränkt. Außerdem mangelt es diesen Simulationen an der Interoperabilität innerhalb kollaborativer Prozesse mit dem Building Information Modeling (BIM)-Ansatz. Daher werden in dieser Dissertation Ansätze zur automatisierten Erstellung von BEPS- und CFD-Modellen innerhalb eines BIM-basierten Planungsprozesses von Gebäuden unter Verwendung des offenen Datenaustauschformats IFC als Repräsentation von BIM-Daten vorgestellt. Die entwickelten Methoden adressieren aktuelle Herausforderungen bei der automatisierten Umwandlung von IFC-Daten in Simulationsmodelle. Das IFC-basierte BEPS-Setup verwendet eine vorlagenbasierte Anreicherung für Gebäudekonstruktionen und Zonennutzung, um die thermische Leistung des Gebäudes in stündlicher Auflösung über ein ganzes Jahr zu berechnen, einschließlich der Luft- und Oberflächentemperaturen, Wärmeströme, Heiz- und Kühllasten und des Energieverbrauchs. Die BEPS-Ergebnisse eines ausgewählten Zeitschrittes werden verwendet, um die Randbedingungen für die IFC-basierte CFD-Simulation zu definieren. Die CFD-Simulation berechnet die Raumluftverteilung, die zur Optimierung des Betriebs der HLK-Anlagen verwendet werden kann. Diese IFC-basierten Simulationen bilden die Grundlage für ein IFC-basiertes Setup zur Analyse des thermischen Komforts, das eine Erweiterung der template-basierten Zonen-Nutzungsanreicherung für persönliche Komfortparameter verwendet. Dieser kombinierte Modellerstellungsansatz ermöglicht eine effiziente Bewertung des statischen, lokalen und adaptiven thermischen Komforts. Basierend auf der Auswertung der jährlichen stündlichen BEPS-Ergebnisse werden Räume mit einem hohen Risiko für thermische Unbehaglichkeit detailliert hinsichtlich ihres lokalen thermischen Komforts mittels CFD bewertet. Diese Kombination trägt zur Reduzierung der Rechenkosten bei, da nur kritische Fälle für eine detaillierte CFD-Analyse ausgewählt werden, während die thermische Performance des Gesamtgebäudes mit BEPS bewertet wird. Diese entwickelten Ansätze zur Bewertung der Gebäudeperformance auf verschiedenen räumlichen und zeitlichen Ebenen werden bei der Bewertung der Auswirkungen des Klimawandels auf die Energieeffizienz und den thermischen Komfort von Innenräumen angewandt. Darüber hinaus werden der zukünftige Energiebedarf und die thermische Behaglichkeit vorhergesagt und die Performance der aktuellen Heiz- und Kühlkapazitäten unter zukünftigen Wetterbedingungen bewertet. Im Rahmen dieser Dissertation ergab die Auswertung der Ergebnisse für ein Nichtwohngebäude unter zukünftigen Wetterbedingungen, die sich aus dem IPCC-Szenario SSP5-8.5 für das Jahr 2050 ergeben, eine Verdoppelung der erforderlichen Kühlkapazitäten, was zu einem Anstieg des Kühlenergieverbrauchs um 400% und einer Reduzierung des Heizenergieverbrauchs um 30% führt. Mit dem vorgestellten Ansatz automatisierter IFC-basierter Simulationen zur Bewertung der dynamischen Auswirkungen auf die thermische Performance eines Gebäudes werden sowohl die aktuellen als auch die zukünftigen klimatischen Bedingungen berücksichtigt, um die Performance über den Lebenszyklus des Gebäudes zu bewerten und einen Paradigmenwechsel bei der Entscheidungsfindung in der Gebäudeplanung zu unterstützen. Durch die Vorhersage zukünftiger Heiz- und Kühllasten wird ein bedeutender Schritt in Richtung eines optimierten, energieeffizienten und komfortablen Gebäudedesigns erreicht, das eine hohe thermische Resilienz gegenüber den Auswirkungen des Klimawandels bietet.

Mitigating the impacts of climate change on ecosystems and humans requires reducing greenhouse gas emissions. To achieve this reduction, political organizations such as the European Union (EU) have established targets for emission reductions, which are ratified nationally. In recent years, Germany has failed to meet its targets, partly due to the energy consumption of buildings driven by their heating and cooling demands. Suitable simulations allow for capturing the dynamic thermal performance of buildings, which can be used not only to evaluate energy efficiency but also to predict indoor thermal comfort as a driving factor in the operation of Heating, Ventilation, and Air Conditioning (HVAC) systems. However, previous research has criticized the model setup for Building Energy Performance Simulations (BEPS) and Computational Fluid Dynamic (CFD) simulations for requiring high manual effort, limiting their use in the decision-making process on energy-efficient building design. These simulations also lack interoperability within collaborative processes with the Building Information Modeling (BIM) approach. Therefore, this dissertation presents approaches for the automated setup of BEPS and CFD models within a BIM-based design process of buildings using the open data exchange format IFC as a representation of BIM data. The proposed methods address current challenges in the automated transformation of IFC data into simulation model input. The IFC-based BEPS setup uses template-based enrichment for building constructions and zone usage to compute the thermal performance of the building at hourly resolution over a full year, including air and surface temperatures, heat fluxes, heating and cooling loads, and energy consumption. The BEPS results of a selected timestep are used to define the boundary conditions for the IFC-based CFD simulation. This CFD simulation is then used to calculate the indoor air distribution, which can be further used to optimize the operation of the HVAC systems. These IFC-based simulations form the basis for an IFC-based thermal comfort setup, which uses an extension of the template-based zone-usage enrichment for personal comfort parameters. This combined approach allows for efficiently evaluating static, local, and adaptive thermal comfort. Based on the evaluation of the annual hourly BEPS results, spaces with a high risk for thermal discomfort are evaluated in detail on their local thermal comfort through CFD. This combination enhances the reduction of computational cost by selecting only critical cases for an in-depth CFD analysis, while the overall building thermal performance is evaluated using BEPS. The proposed approaches are applied to evaluate the impact of climate change on the energy efficiency and thermal comfort of indoor environments on different spatio-temporal scales. In addition, future energy demand and thermal comfort are predicted, and the performance of available heating and cooling capacities is evaluated under future weather conditions. Within this dissertation, the evaluation of the results for a non-residential building under future weather conditions resulting from the IPCC scenario SSP5-8.5 for the year 2050 indicate a doubling of the cooling capacity requirements, leading to an increase of cooling energy consumption of 400% and a reduction of the heating energy consumption of 30%. The presented approach on automated IFC-based simulations allows for assessing the dynamic effects in a building's thermal performance while considering both the current and the future climatic conditions. This consideration then enables evaluating the performance over the building's life cycle, supporting a paradigm shift in decision-making in the building design. By predicting future heating and cooling loads, a significant step towards an optimized, energy-efficient, comfortable building design will be achieved, providing high thermal resilience to the impact of climate change.

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