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Übersicht
Die HAMSTAD Benchmarks sind ein Ergebnis des EU-Projekts HAMSTAD: Determination of liquid water transfer properties of porous building materials and development of numerical assessment methods (2000-2003). https://cordis.europa.eu/project/id/G6RD-CT-2000-00260
Im Rahmen des Projekts wurde eine konsistente Formulierung der maßgeblichen Gleichungen für den gekoppelten Wärme-, Luft- und Feuchtetransport sowie Gleichungen für Randbedingungen formuliert, die auch die Grundlage für die europäische Norm EN 15026 bilden. Die Projektmitglieder entwickelten Simulationsverfahren zur Lösung der gekoppelten partiellen Differentialgleichungen, wobei unterschiedliche numerische Methoden und Implementierungstechniken zum Einsatz kamen.
Die nachfolgenden Versuchsbeschreibungen sind teilweise dem Projektbericht entnommen:
Hagentoft, Carl-Eric et al., HAMSTAD-WP2, Modeling, Chalmers University of Technology, Building Physics., 2002, Technical Report
Dieser Projektbericht und die originalen Benchmark-Beschreibungstexte und Eingabedaten, sowie die während des Projekts gesammelten Ergebnisdaten sind in diesem Archiv verfügbar:
Aufgrund der gemeinsamen mathematischen Formulierung wurden mehrere Benchmark-Fälle entwickelt, um die korrekte Implementierung der Simulationscodes zu überprüfen. Bei expliziter Formulierung des mathematischen Problems und Vorgabe aller Eingabeparameter sollten sich die Ergebnisse der verschiedenen Tools nur durch Varianten in den numerischen Methoden und numerischen Parametern (Gitter, Zeitintegrationsverfahren, Toleranzen etc.) unterscheiden. Größere Abweichungen deuten auf Programmierfehler oder ungeeignete numerische Verfahren hin. Software, die der Norm EN 15026 entspricht, sollte in der Lage sein, die unten aufgeführten Testfälle mit nur geringen Abweichungen von der Referenzlösung zu lösen.
Die im Folgenden vorgestellten Benchmarks decken Wärme-, Feuchte- und Luftübergang ab. Jeder Benchmark deckt mindestens zwei Übertragungsmechanismen ab. Die Fälle wurden so ausgewählt, dass sie verschiedene Kombinationen von klimatischen Belastungen und Materialkombinationen abdecken.
Benchmark 1 – „Isoliertes Dach“
Ein gedämmter Dachaufbau wird eindimensional analysiert. Die Wärmedämmung ist nach innen gerichtet und nach außen befindet sich eine Feuchtigkeitssperre. Die Konstruktion ist vollkommen luftdicht.
Dieser erste Benchmark befasst sich mit interner Kondensation, die an der Kontaktfläche zwischen zwei Materialien auftritt. Die Materialien haben unterschiedliche Wärme- und Feuchtetransporteigenschaften – das eine ist ein kapillaraktives, tragendes Material, während das andere eine kapillar nicht aktive (unendlicher Widerstand gegen Flüssigkeitsfluss) Isolierung ist; die Wärmeleitfähigkeiten der
Materialien unterscheiden sich um den Faktor 50 (bei trockenen Bedingungen).
Ergebnisse
Von Interesse sind die Feuchteakkumulation und die Trocknungsvorgänge während des ersten Jahres und nach einem Zeitraum von mehreren Jahren im quasistationären System. Die Feuchteakkumulation wirkt sich auf die Wärmeleitfähigkeit der Materialien aus und die Kondensation/Verdunstung führt auch zu Temperaturänderungen innerhalb der Konstruktion und an der Oberfläche. Daher kann der Wärmestrom als sinnvolle Größe für Vergleichsberechnungen verwendet werden. Wie in den nächsten beiden Diagrammen zu sehen ist, sind die von den meisten Tools berechneten Wärmeströme sehr ähnlich.
HINWEIS: Von den referenzierten Tools sind nur noch DELPHIN (IBK/TU Dresden) und WUFI (Fraunhofer IBP) verfügbar. WUFI wurde in einer früheren Version aus dem Jahr 2002 validiert.
Weiterhin von Interesse ist die Feuchteakkumulation, die unten für die beiden Materialien und das erste und letzte Jahr der Simulation dargestellt ist.
Betrachtet man die Feuchtegehalte in Material A, so gibt es sicherlich einige Unterschiede, die im Jahr 5 akkumuliert werden. Allerdings haben die genaueren Modelle immer noch ein sehr enges Toleranzband. Auch die Entwicklung einiger Tools ist deutlich sichtbar – 2002 berechnete die DELPHIN 4.4 Version von IBK/TU Dresden eine Ausreißerkurve (Material A, Jahr 5), die heutige sehr genaue DELPHIN 6 Version markiert jedoch ziemlich genau die Mitte der Kurven.
Die recht großen Unterschiede bei Material B (Dämmung) resultieren aus anfänglicher Feuchteumverteilung und Tauwasserbildung am kalten tragenden Material. Dabei ist die Behandlung der Material-Material-Grenzfläche (meist eine werkzeugspezifische numerische Mittelwertbildung) die Hauptursache für diese Abweichungen.
HAMSTAD Benchmark 2
Eine homogene Schicht wird unter isothermen Bedingungen in einer Dimension untersucht. Die Schicht befindet sich zunächst im Gleichgewicht mit der Umgebungsluft und hat eine konstante relative Feuchte. Zum Zeitpunkt Null kommt es zu einer plötzlichen Änderung der relativen Feuchte der Umgebungsluft. Die Struktur ist perfekt luftdicht.
Dieser Benchmark beschäftigt sich mit der Feuchteumverteilung in einer Materialschicht unter isothermen Bedingungen. Die Feuchtebewegung wird durch die plötzlichen Änderungen der relativen Feuchte der Umgebung verursacht. Für diesen Fall gibt es eine analytische Lösung. Hinweis: Dieser Testfall ähnelt sehr dem EN 15026-Benchmark-Fall, siehe DIN EN 15026 (2007), beziehungsweise ist sogar einfacher (isotherm).
Ergebnisse
Die isotherme Trocknung der Konstruktion wird durch den Vergleich von Feuchtegehaltsprofilen nach 100, 300 und 1000 Stunden Simulationszeit bewertet.
Die Ergebnisse aller beteiligten Tools sind nahezu identisch. Der Testfall selbst kann, ähnlich wie der in EN 15026, als das absolute Minimum angesehen werden, das ein Simulationslöser können sollte. Da jedoch nahezu alle relevanten Features und potenziellen Problemquellen fehlen, erlaubt dieser Benchmark kein Urteil über die Brauchbarkeit eines Tools für beliebige technische Problemfälle.
Benchmark 3 – „Leichtbauwand“
Der dritte Benchmark befasst sich mit einer Luftübertragung durch eine einzelne Materialschicht. Die Feuchtigkeitsübertragung wird hauptsächlich durch den Luftstrom durch die Schicht verursacht, aber auch durch die Feuchtigkeits- und Temperaturgradienten in der Schicht.
Ergebnisse
Benchmark 4 – „Reaktionsanalyse“
Eine Wand mit einem hygroskopischen Ausbaumaterial an der Innenseite wird eindimensional untersucht. Die Wand wird nachträglich mit relativer Feuchte, Wärme und Feuchtebelastung an der Innen- und Außenfläche beaufschlagt. Die Konstruktion ist perfekt luftdicht.
Der vierte Benchmark befasst sich mit der Wärme- und Feuchtebewegung innerhalb der Wand mit hygroskopischem Ausbaumaterial aufgrund variierender Randbedingungen. Das Simulationsmodell muss die verschiedenen Feuchte- und Temperaturflüsse erfassen und die starken Nichtlinearitäten behandeln, die sich aus den schnell wechselnden Befeuchtungs- und Trocknungsbedingungen ergeben. Außerdem ergeben sich aus diesem Benchmark mehrere Modellbeschränkungen (Gefahr der Überfüllung durch aufgezwungenen Regen und interstitielle Kondensation). Aufgrund der numerischen Herausforderung (erfordert feines Gitter, genaue Konvergenzkontrolle, kleine Zeitschritte) dient es auch als Leistungs-/Effizienz-Benchmark.
Ergebnisse
Benchmark 5 – „Kapillaraktive Innendämmung“
Ein innengedämmter Wandaufbau wird eindimensional analysiert. Eigenschaften von kapillaraktiven Isolierungen werden berechnet.
Der fünfte Benchmark befasst sich mit der Feuchteumverteilung innerhalb der Wand mit kapillaraktiver Innendämmung. Die Wand besteht aus drei Schichten: tragendes, ausbauendes und dämmendes Material. Die Wärmeleitfähigkeiten von tragenden und dämmenden Materialien unterscheiden sich um den Faktor 11 (bei trockenen Bedingungen).
Zusammenfassung und Schlussfolgerungen
Die vorgestellten Ergebnisse entstammten von Tools, die während des Projekts in der Entwicklung waren. Die meisten dieser Tools sind nicht mehr verfügbar oder wurden nie für die Öffentlichkeit freigegeben. https://users.encs.concordia.ca/~raojw/crd/concept/concept000215.html enthält eine Liste vieler HAM-Tools, die im Laufe der Jahre entwickelt (und wieder aufgegeben) wurden.
Das Simulationsmodell DELPHIN (https://bauklimatik-dresden.de/delphin) ist vollständig gegen alle Benchmark-Fälle validiert. Das Modell WUFI (https://wufi.de/en) war in einer früheren Entwicklungsversion während des Projekts (IBP, 2002) für einige HAMSTAD-Fälle validiert worden.
Die HAMSTAD-Benchmarks decken viele Aspekte von hygrothermischen Simulationsmodellen ab, die für ingenieurwissenschaftliche Anwendungsfälle benötigt werden. Der Schwerpunkt liegt auf der korrekten Darstellung der Feuchteakkumulation durch interstitielle Kondensation und der Berechnung des Innenisolationsverhaltens.
Die Benchmarks decken jedoch keine relevanten Modellkomponenten ab, wie z.B.:
- realistische Randbedingungsberechnung (Sonnenstand, solare kurzwellige Strahlungslasten, langwelliger Strahlungsaustausch mit dem Himmel, windgetriebene Regenlasten)
- feuchteangepasste Folien und Dampfbremsen
- spezielle Feuchtequellenmodelle (z.B. als Folge von belüfteten Hohlräumen)
Außerdem sind die Benchmark-Fälle nur für 1D-Konstruktionen definiert. Wie die Autoren des ursprünglichen Projekts schreiben:
“It should be mentioned that the benchmarks only cover one-dimensional cases. For accurate predictions of a buildings HAM-behavior two- and three-dimensional simulation models are required. This project group therefore suggests a continuation of this project in order to have assessment tools, which also covers two-dimensional models and benchmarks.” – Hagentoft et al., HAMSTAD – WP2 Modeling Report
Literatur
C-E. Hagentoft, A. Kalagasidis, B. Adl-Zarrabi, S. Roels, J. Carmeliet, H Hens, J. Grunewald, M. Funk, R. Becker, D. Shamir, O. Adan, H. Brocken, K. Kumaran, R. Djebbar, Assessment Method of Numerical Prediction Models for Combined Heat, Air and Moisture Transfer in Building Components: Benchmarks for One-dimensional Cases, Journal of Thermal Envelope and Building Science, 27 (4) (2004), pp. 327-352
