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Zur Simulation von Einflussgrößen der Behaglichkeit und Energieeffizienz in Personenbahnhöfen - Entwicklung und Bewertung quantitativer und numerischer Verfahren

Stute, Volker :
Zur Simulation von Einflussgrößen der Behaglichkeit und Energieeffizienz in Personenbahnhöfen - Entwicklung und Bewertung quantitativer und numerischer Verfahren.
TU Darmstadt / Architektur
[Ph.D. Thesis], (2010)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Zur Simulation von Einflussgrößen der Behaglichkeit und Energieeffizienz in Personenbahnhöfen - Entwicklung und Bewertung quantitativer und numerischer Verfahren
Language: German
Abstract:

Personenbahnhöfe dienen als Schnittstelle zwischen Zugverkehr und anderen öffentlichen und privaten Verkehrsmitteln. Ihre zentrale Aufgabe besteht darin, • Reisenden ein Umfeld zu bieten, in dem sie pünktlich, stressfrei und sicher Züge erreichen, • Zügen eine Infrastruktur zu bieten, in der sie Reisende aufnehmen und absetzen können. Sie sind hochdynamische und in ihrer großen Anzahl sehr heterogene Systeme, die von stark schwankenden Verkehrs- und Wettersituationen beeinflusst werden. Bahnhöfe sind Teil komplexer Reiseketten, die aus der Nutzung öffentlicher und privater Verkehrsmittel bestehen. Diese Reiseketten stehen in Konkurrenz zum motorisierten Individualverkehr, der keinen Wechsel der Verkehrsmittel und somit keine Infrastruktur zum Umsteigen erfordert. Da Komfort ein wichtiges Entscheidungskriterium für die Wahl zwischen alternativen Reiseketten ist, sollten Bahnhöfe ein Behaglichkeitsniveau bieten, welches sich homogen an das in den Zügen anfügt und konkurrenzfähig zum Individualverkehr ist. Die Sicherstellung des thermischen Komforts erfordert in bestimmten Situationen den Einsatz von Energie. Die Optimierung der Energieeffizienz bedeutet die Minimierung des Energieverbrauchs bei gleichzeitiger Sicherstellung eines angemessenen Funktionalitäts- und Komfortniveaus. Die Anordnung und Trennung der Gebäudezonen unter den Aspekten Energieverbauch, Komfort und Funktionalität kann zu sich widersprechenden Zielen führen: Die Durchlässigkeit für Menschen versus die Durchlässigkeit für Wärme, Luft und Licht. Optimale Lösungen erfordern ein stabiles Gleichgewicht, aber auch die Möglichkeit einer dynamischen Regelung. Im Zuge der Arbeit werden vier zentrale Fragen zu Bahnhöfen analysiert und beantwortet: 1. Welche Größen sind für Energieeffizienz, thermischen Komfort und Funktionalität relevant? 2. Lassen sich die Größen mit Hilfe von quantitativen und numerischen Methoden optimieren? 3. Welche allgemeinen Aussagen folgen aus den beispielhaften Analysen zur Energieeffizienz? 4. Wie müssten die Erkenntnisse praktisch angewendet und die Modelle erweitert werden? Traditionelle, d.h. rein qualitative Analysewerkzeuge reichen für die Erforschung des dynamischen Systems Bahnhof nicht aus. Es gibt nicht das eine Modell, welches alle relevanten Parameter auf einmal numerisch optimieren kann. Daher werden in dieser Arbeit fünf verschiedene numerische und quantitative Verfahren verwendet, davon zwei neu entwickelt, die jeweils einen Teilaspekt von Bahnhöfen modellieren und simulieren. Die quantitativen Analysen zeigen, dass Bahnhöfe nicht als statische Bauwerke, sondern als dynamische Architektur betrachtet, geplant und betrieben werden müssen. Dabei ist es nötig und mit den beschriebenen Werkzeugen auch möglich, zukünftige Zustände kurzfristig zu prognostizieren und bereits im Vorfeld darauf zu reagieren.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Passenger railway stations serve as an interface between public railway services and other public or private transport systems. Their main tasks are to enable • Travelers to reach their scheduled train on time, safely and unstressed and • Trains to safely pick up travelers from cities and communities and bring them to their destination. They are highly dynamic and heterogeneous systems which are significantly impacted by changing weather and traffic conditions. Railway stations are part of complex travel chains composed of both public and individual transportation. These chains compete with individual motorized traffic, which requires no change of means of transportation from door to door and thus respective building infrastructure. For competitive reasons it is eminent to keep a certain comfort level in the stations, preferably comparable to the level provided in vehicles. In order to ensure thermal comfort in certain circumstances energy input is required. The optimization of energy efficiency is the minimization of energy consumption while at the same time ensuring a certain level of comfort and also functionality. The arrangement and separation of building areas under consideration of energy consumption, comfort and functionality might lead to contradictory objectives: permeability for people vs. permeability for thermal energy, air and light. Optimal solutions require both a stable balance and the possibility for dynamic regulation. In the course of the thesis the following four key aspects are being analyzed and solutions proposed: 1. What are the relevant parameters for optimization of energy efficiency, comfort and full functionality of a public railway station? 2. To what extent are quantitative and numeric methods applicable to support the optimization of stations in terms of energy efficiency and comfort? 3. What are general conclusions to be drawn from this exemplary analysis? 4. How can the results be used in practice and what would be worthwhile topics for further or additional research? Traditional purely qualitative analytical tools were found insufficient for a depletive analysis of complex railway station systems. There is no one model which is capable of numerically optimizing all relevant parameters in parallel. Hence five different numerical and quantitative methods, two of them newly invented, are applied in this thesis to model and simulate stations in variable ways. The quantitative analysis shows that stations should be regarded, planned and operated as dynamic architecture instead of static buildings. The findings of this thesis enable the essential capability of anticipating future situations in order to be in position to act beforehand.English
Las estaciones de tren son intersecciones entre el tráfico ferroviario y otros medios de transporte, tanto públicos como privados. Sus principales tareas son: • Brindar a los pasajeros un ambiente en el que puedan llegar puntuales y seguros a sus trenes • Ofrecer una infraestructura a los trenes para que puedan dar entrada y salida a los pasajeros. Son sistemas altamente dinámicos, bajo la influencia de condiciones variantes tanto de tráfico como climáticas y en su mayoría muy heterogéneas. Las estaciones de tren forman parte de cadenas de movilidad, componiéndose del uso de transportes colectivos y privados. Estas cadenas hacen la competencia al tráfico individual motorizado, el cual no requiere cambio de vehículo de transporte y por eso no necesita infraestructura para el transbordo. Ya que el confort juega un papel importante en la decisión en favor de una opción de cadena de movilidad alternativa, las estaciones tendrían que ofrecer un nivel de comodidad competitivo y comparable al nivel dentro de los trenes. En ciertas situaciones, el suministro del confort térmico requiere del consumo de energía. La optimización eficaz de energía significa la minimización del consumo de energía mientras se asegura un nivel de confort y funcionalidad adecuado. El orden de colocación y la separación de zonas de un edificio bajo los criterios de bajo consumo de energía, adecuado confort y eficiente funcionalidad puede llegar a destinos contrarios: La permeabilidad de las personas contra la permeabilidad del calor, aire y luz. Las soluciones óptimas requieren un equilibrio estable igual que la posibilidad del control dinámico. A lo largo de la tesis, se analizan y contestan las siguientes cuatro preguntas centrales: 1. ¿Cuáles son las cantidades relevantes para el uso eficaz de energía, confort y funcionalidad? 2. ¿Es posible optimizarlas con ayuda de métodos cuantitativos y numéricos? 3. ¿Cuáles son las proposiciones generalizadas resultado de los análisis empleados? 4. ¿Cómo se tendrían que aplicar los conocimientos de manera práctica y para ampliar los modelos desarrollados en la tesis? Las herramientas analíticas tradicionales y cualitativas no son suficientes para la investigación del sistema dinámico „estación de trenes“. Sin embargo, no existe el modelo, que pueda optimizar todos los parámetros relevantes a la vez. Por eso hay cinco herramientas numéricas y cuantitativas que se aplican y desarrollan en este trabajo, cada una de ellas modelando y simulando ciertos aspectos parciales del sistema. Los análisis cuantitativos muestran que las estaciones de tren no funcionan como edificios estáticos, sino que hay que verlas, planearlas y accionarlas como arquitecturas dinámicas. Por eso es necesario, y con las herramientas mostradas es posible, pronosticar condiciones futuras a corto plazo y reaccionar antes de que se realicen.Español
Les gares sont les points d´échange entre les réseaux ferroviaires et d´autres moyens de transport privés ou publics et ont les fonctions principales suivantes: • offrir la possibilité aux passagers d´accéder à leur train d´une manière ponctuelle, sans stress et en toute sécurité • créer et maintenir pour les trains l’infrastructure nécessaire et optimale dans laquelle les passagers arrivent ou partent. Les gares sont dans leur multitude des systèmes très hétérogènes et hautement dynamiques qui sont soumis à des changements brusques de mouvements à l’intérieur ainsi qu’à des conditions météorologiques variables à l’extérieur. Ce sont de fait des maillons intégrés à la chaine complexe des transports privés et publics en concurrence directe avec le transport en véhicule individuel, lequel ne nécessite aucune infrastructure pour changements ou correspondances. Comme le confort est un critère décisif dans le choix du mode de transport, les gares se doivent d’offrir un niveau de bien-être thermique similaire à celui des trains et comparable aux conditions du transport individuel, ce qui dans de nombreux cas un investissement énergétique significatif. L´optimisation du rendement énergétique - signifiant la minimisation de la consommation d´énergie tout en assurant un niveau de fonctionnalité et de confort approprié - devient alors primordiale. La définition et l’agencement des différentes zones de la gare peuvent - en matière de consommation d´énergie, de confort et de fonctionnalité - viser parfois des buts contradictoires: permettre le mouvement fluide des voyageurs peut par exemple s’opposer à l’optimisation énergétiques des flux des températures, d´air et de lumière. Les solutions optimales doivent assurer un équilibre durable entre les éléments essentiels tout en permettant une régulation dynamique. Le document présent analyse et traite les quatre questions clé concernant les gares: 1. Quelles données doivent être prises en compte dans l´analyse du rendement énergétique et de la fonctionnalité de la gare? 2. Quelles données peut-on optimiser en utilisant des outils quantitatifs et numériques? 3. Quelles sont les thèses qui résultent d´analyses des cas concernant le rendement énergétique? 4. Comment faut-il appliquer ces résultats afin de développer des modèles? Les outils d´analyse traditionnels, c´est à dire purement qualitatifs, ne suffisent pas pour l´analyse du système dynamique qu’est la gare. Il n´existe pas non plus un seul modèle proposant une optimisation chiffrée de tous les paramètres. C´est pourquoi ce document présente, et en partie développe cinq procédés numériques et quantitatifs, qui modélisent et simulent un aspect des gares. Les analyses quantitatives montrent que les gares ne doivent pas être considérées comme des bâtiments statiques, mais doivent être pensées, conçues et gérées comme une structure architecturale dynamique. Ainsi est-il nécessaire et - avec les outils décris ci-dessus - devenu possible de pronostiquer à court terme les changements futurs afin d´agir avant qu´ils ne se réalisent.French
Uncontrolled Keywords: Numerische Simulation, Quantitative Modellierung, Energieeffizienz, Personenbahnhof, Behaglichkeit, Thermischer Komfort, Personenbewegung, Dynamische Architektur, Bahnhof, Komfort, Strömungssimulation, Sensitivitätsmodell
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Numerische Simulation, Quantitative Modellierung, Energieeffizienz, Personenbahnhof, Behaglichkeit, Thermischer Komfort, Personenbewegung, Dynamische Architektur, Bahnhof, Komfort, Strömungssimulation, SensitivitätsmodellGerman
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
700 Künste und Unterhaltung > 720 Architektur
Divisions: Fachbereich Architektur
Fachbereich Architektur > Fachgruppe C: Konstruktion und Technik > Entwerfen und Energieeffizientes Bauen
Fachbereich Mathematik
Fachbereich Mathematik > Numerik und wissenschaftliches Rechnen
Fachbereich Architektur > Fachgruppe C: Konstruktion und Technik
Date Deposited: 29 Dec 2010 15:15
Last Modified: 07 Dec 2012 11:58
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-23686
Additional Information:

Die Druckausgabe ist in der Schriftenreihe "Berichte aus der Architektur" im Shaker-Verlages, Aachen erschienen. (ISBN 978-3-8322-9635-3)

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Additional Information:

Die Druckausgabe ist in der Schriftenreihe "Berichte aus der Architektur" im Shaker-Verlages, Aachen erschienen. (ISBN 978-3-8322-9635-3)

Referees: Hegger, Prof. Manfred and Stöffler, Prof. Dr. Jürgen and Kiehl, Prof. Dr. Martin
Refereed: 26 October 2010
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2368
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