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Wärmebrücken

Die Finite-Elemente-Methode für die Berechnung von Wärmebrücken

Entdecken Sie, wie Sie Wärmebrücken mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) berechnen und die Energieeffizienz von Gebäuden maximieren können


Die Verwendung der Finite-Elemente-Simulation FEM (Finite Element Method) erweist sich für Fachleute als wertvolles Werkzeug, da sie eine detaillierte Analyse und eine bessere Gestaltung von Gebäuden ermöglicht. Dies soll verschiedene Faktoren reduzieren, die den Energieverbrauch beeinflussen, einschließlich der Wärmebrücken, die eine bedeutende Rolle spielen und zu Wärmeverlusten führen, die Ineffizienz und höhere Betriebskosten verursachen.

In diesem Artikel werden wir sehen, was die Finite-Elemente-Methode ist und wie sie verwendet werden kann, um Wärmebrücken zu identifizieren und zu eliminieren, auch mit Hilfe einer Software für die Berechnung von Wärmebrücken.

Verwendung der FEM-Methodologie für die Berechnung von Wärmebrücken

Verwendung der FEM-Methode für die Berechnung von Wärmebrücken

Was sind Wärmebrücken

Wärmebrücken sind Bereiche eines Gebäudes, in denen Wärmeverluste zwischen Innen- und Außenbereichen auftreten, verursacht durch verschiedene Situationen wie Unterbrechungen in der Kontinuität der Isolierung, das Vorhandensein von leitfähigen Strukturelementen oder die Bildung von Kältepunkten aufgrund der Geometrie des Gebäudes. Ihre Anwesenheit kann zu einem Anstieg des Energieverbrauchs für die Beheizung oder Kühlung der Räume und zu einem größeren Unbehagen für die Bewohner des Gebäudes führen.

Was ist die Finite-Elemente-Methode

Die Finite-Elemente-Methode, kurz FEM (Finite Element Method), ist eine fortgeschrittene numerische Analysetechnik, die in der Ingenieurwissenschaft verwendet wird, um komplexe partielle Differentialgleichungen zu lösen, die das Verhalten eines physikalischen Systems beschreiben. Dieser innovative Ansatz unterteilt das Objekt oder die Struktur in eine große Anzahl einfacherer Finite Elemente wie Dreiecke oder Vierecke in 2D und Tetraeder in 3D, um die Geometrie und die Materialeigenschaften genau darzustellen.

Jedes Finite Element ist durch ein Set von mathematischen Gleichungen gekennzeichnet, die das lokale Verhalten des Materials oder der Struktur beschreiben. Diese Gleichungen werden auf die einzelnen Elemente angewendet, wobei verschiedene Faktoren berücksichtigt werden. Anschließend werden die Gleichungen numerisch durch anspruchsvolle iterative Methoden gelöst, was eine genaue Darstellung des Gesamtverhaltens des betrachteten Systems liefert.

Im Zusammenhang mit den Wärmebrücken ermöglicht der Einsatz der FEM eine präzise Modellierung des Wärmeflusses durch die Gebäudematerialien unter Berücksichtigung verschiedener Umgebungs- und Gestaltungsbedingungen. Dieser fortgeschrittene Ansatz ermöglicht es Fachleuten, etwaige Schwachstellen in der Wärmedämmung eines Gebäudes zu identifizieren und zu beheben, was die Gesamtenergieleistung verbessert.

Mit dieser Methode können Fachleute das thermische Verhalten eines Systems detailliert analysieren und den Einfluss verschiedener Konfigurationen und Materialien auf die Energieeffizienz des Gebäudes bewerten. Auf diese Weise können Gebäudeentwürfe optimiert werden, um Wärmeverluste zu reduzieren und den Komfort der Bewohner zu verbessern, was zu nachhaltigeren und energetisch effizienteren Umgebungen beiträgt.

Technologien und Software-Tools

Die Finite-Elemente-Analyse (FEA) ist eine Berechnungsmethode zur Durchführung komplexer technischer Analysen mit Hilfe von Software. Dieser Ansatz basiert auf der Finite-Elemente-Methode (FEM), die darauf abzielt, allgemeine Systeme von partiellen Ableitungsgleichungen (PDE) auf diskrete und annähernde Weise zu lösen.

Derzeit gibt es zahlreiche Software für die Finite-Elemente-Analyse, sowohl kostenlose als auch kostenpflichtige. Diese Software teilt den Analyseprozess in drei Phasen auf:

  1. Vorbereitung: Während dieser Phase wird das Finite-Elemente-Modell erstellt, der Typ der durchzuführenden Analyse ausgewählt, der Typ der Finite Elemente definiert, die Materialparameter festgelegt, die Diskretisierung erstellt und Rand- und Lastbedingungen angewendet;
  2. Verarbeitung: Hier findet die eigentliche Analyse mit der Lösung des Finite-Elemente-Problems statt;
  3. Nachbearbeitung: In dieser Phase werden die Analyseergebnisse verarbeitet und dargestellt, sowohl in Bezug auf grundlegende Größen als auch abgeleitete Größen.

Für die Berechnung des linearen Wärmedurchgangskoeffizienten von Wärmebrücken ist die Verwendung der Finite-Elemente-Analyse entscheidend.
Die Lösungsansätze der Software ermöglichen eine schnelle Berechnung des linearen Wärmedurchgangskoeffizienten von Wärmebrücken, die Bewertung des Wärmeflusses und des Wärmeübergangskoeffizienten sowie die Überprüfung der Richtigkeit der Wärmebrücke. Die Software bietet auch Werkzeuge zur intuitiven Visualisierung und Interpretation der Ergebnisse, wie Isothermen und andere.

Es ist möglich, detaillierte Analysen von Wärmebrücken durchzuführen, eine Vielzahl von Kombinationen zu bewerten und optimale Lösungen zur Verbesserung der Energieeffizienz von Gebäuden zu finden. Die Geschwindigkeit und Benutzerfreundlichkeit machen es zu einem wertvollen Werkzeug für Ingenieure und Designer, die sich mit der Optimierung der thermischen Leistung von Gebäuden befassen.

Vor- und Nachteile der FEM-Analyse

Die Vorteile der Finite-Elemente-Analyse umfassen:

  • Komplexe Geometrien – Die Fähigkeit, komplexe Geometrien zu behandeln, ist eine der Hauptstärken der FEM-Methode;
  • Weite Anwendbarkeit – Sie eignet sich für eine Vielzahl von ingenieurtechnischen Problemen, darunter Festkörpermechanik, Strömungsmechanik, Wärmeübertragung, Elektrostatik usw.;
  • Behandlung komplexer Einschränkungen und Lasten – Sie kann leicht mit komplexen Einschränkungen und Lasten umgehen.

Die Nachteile der Finite-Elemente-Analyse sind:

  • Nicht parametrisierbare Lösung – Es ist nicht immer möglich, eine geschlossene und parametrisierbare Lösung des Problems zu erhalten;
  • Inhärente Annäherungen – Der Finite-Elemente-Ansatz führt zu Annäherungen in der Lösung;
  • Fehler bei der Diskretisierung – Fehler bei der Diskretisierung unregelmäßiger Domänen können auftreten;
  • Interpolationsfehler – Fehler können bei der Interpolation der Lösung innerhalb der finiten Elemente auftreten;
  • Numerische Fehler – Fehler aufgrund von Rechenbeschränkungen wie der endlichen Anzahl von signifikanten Stellen und der Schwierigkeit, extrem große oder kleine Zahlen zu verarbeiten, können auftreten;
  • Modellierungsfehler – Modellierungsfehler sind häufig und können die Analyseergebnisse beeinflussen.

Wie man eine Software für die Berechnung von Wärmebrücken verwendet

In diesem Video können Sie sehen, wie Sie mit wenigen Schritten eine Software für die Berechnung von Wärmebrücken verwenden können, die auf der Finite-Elemente-Methode basiert, um Strukturen unter realen Bedingungen zu entwerfen und hochprofessionelle Ergebnisse zu erzielen.

 

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