Nutzenergiebedarf für das Heizen und Kühlen einer Gebäudezone Bilanzierung nach DIN V

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1 Nutzenergiebedarf für das Heizen und Kühlen einer Gebäudezone Bilanzierung nach DIN V L. Rouvel, M. Wenning Die EU-Richtlinie Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden [1] steckt den Rahmen für die zukünftige energetische Bewertung von Gebäuden ab. Sie enthält jedoch keine Ausführungsbestimmungen. Dies regelt in der Bundesrepublik Deutschland die Novellierung der Energieeinsparverordnung (ENEV 2006). Als Berechnungsgrundlage (Bewertungsgrundlage) hierfür ist die Normenreihe DIN V Energetische Bewertung von Gebäuden Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für Beheizung, Kühlung, Beleuchtung und Warmwasserbereitung [2] erstellt worden. DIN V und ihre Struktur Die DIN V ist eine Zusammenfassung der bisherigen Normen DIN EN 832, EN ISO 13790, DIN V und DIN mit Ergänzungen bezüglich der Raumlufttechnik (RLT), der Beleuchtung, der Kälte und der Luftförderung. Im Gegensatz zu den bisherigen Regelwerken beschränkt sich die DIN V nicht auf den Wohnungsbau oder wohnungsbauähnliche Nutzung, sondern bezieht auch den Nichtwohnungsbau mit den dabei sehr vielfältigen Nutzungen ein. Aus diesen Gründen ist es zweckmäßig geworden, die Norm in zehn Teile thematisch zu untergliedern (Bild 1). Bild 1: Struktur der Normenreihe DIN V Nutzenergiebedarf für das Heizen und Kühlen einer Gebäudezone Seite 1 von 21 veröffentlicht in Bauphysik 2006 Heft.4

2 DIN V : Ein konsistentes Bewertungsverfahren für den Heizund für den Kühlbedarf Die Bewertung der Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden, wie sie in der EU- Richtlinie gefordert ist, benötigt klare Regeln und Regelwerke, nach denen die Bewertung zu erfolgen hat. Die bestehenden Regelwerke und Normen sind hierfür nicht ausreichend, da bisher verschiedene Beiträge zum Gesamtenergiebedarf, wie beispielsweise der Energiebedarf für die Raumkühlung, nicht mitbehandelt wurden. Allerdings wird in der EU-Richtlinie deutlich formuliert, dass die existierenden Verfahren, die sich bei der Effizienzbewertung bewährt haben, bestehen bleiben sollen, diese aber erweitert und ausgebaut werden sollen. Die Aufgabe für die Umsetzung der EU-Richtlinie war es also, aufbauend auf dem Vorhandenen erweiterte und neue Methoden zu entwickeln, um insgesamt ein konsistentes Bewertungsverfahren für alle Gebäudetypen und -nutzungen bereitzustellen. Bisher gab es in den Normen DIN EN 832 und EN ISO im Monatsbilanzierungsverfahren zwei Kennwerte zur Bewertung des baulichen Wärmeschutzes, zum einen die Wärmeverluste, zum anderen die Wärmegewinne. In diesen beiden Normen ermitteln sich die Wärmeverluste aus den Transmissionsund den Lüftungsverlusten nach außen, sowie die Wärmegewinne aus der solaren Einstrahlung und den inneren Wärmequellen. Wärmeverluste und Wärmegewinne werden mit Hilfe des Ausnutzungsgrades der Wärmegewinne für Heizzwecke miteinander bilanziert. Die Differenz aus den Wärmeverlusten und den für Heizzwecke nutzbaren Wärmegewinnen ergibt den Heizwärmebedarf in der Gebäudezone. Die für Heizzwecke nicht nutzbaren Wärmequellen (Wärmegewinne) werden im Verfahren für nur beheizte Gebäude nach DIN EN 832 bzw. EN ISO nicht weiter berücksichtigt. In nicht klimatisierten Gebäuden bewirken sie eine erhöhte Raumtemperatur, und/ oder sie werden durch eine verstärkte Fensterlüftung aus dem Raum abgeführt. Im Falle der Klimatisierung stellen sie die Wärme dar, die durch die Kühlung abgeführt werden muss, also den Kühlbedarf (Bild 2). Die Grundzüge der Bilanzierung von Wärmeverlusten und Wärmegewinnen sind somit schon festgelegt. Zur Anwendung des neuen Verfahrens zur Gesamtenergieeffizienz bedarf es aber noch einiger Erweiterungen gegenüber der bisherigen Heizwärmebedarfsberechnung: Nach DIN EN 832 bzw. EN ISO setzen sich die Wärmeverluste - wie bereits erwähnt - aus Transmissions- und Lüftungsverlusten nach außen zusammen, die Wärmegewinne aus der solaren Einstrahlung und den inneren Wärmequellen. Bei Gebäuden mit RLT-Anlagen muss zusätzlich die durch die Zuluft eingetragene Kälte oder Wärme in der Raumbilanz berücksichtigt werden. RLT-Anlagen garantieren i.d.r. den Mindestluftwechsel in der Gebäudezone. Der Bereich für die Zulufttemperatur ist abhängig von der Art der RLT-Anlage und ist durch Behaglichkeitskriterien begrenzt. Die Grundlüftung ist daher in aller Regel unabhängig von den aktuell vorherrschenden Wärme- und Kühllasten in der Gebäudezone und geht somit als konstanter monatlicher Wert in die Bilanzierung ein (Grundluftmenge). Nutzenergiebedarf für das Heizen und Kühlen einer Gebäudezone Seite 2 von 21 veröffentlicht in Bauphysik 2006 Heft.4

3 Berechnung des Heizwärmebedarfs nach DIN EN 832 oder EN ISO (Monatsbilanzierung) Ermittlung des Heiz- und Kühlbedarfs der Gebäudezone, übernommen in DIN V Wärmeverluste Q l Q h = Q η Q Heizwärmebedarf l g Wärmegewinne Q g Q Ausnutzungsgrad g nutzbar Q g Q l η = f, t = η Q zu Heizzwecken nutzbare Wärmegewinne g Q g nicht nutzbar = ( 1 η) Q zu Heizzwecken nicht nutzbare Wärmegewinne g Q h Q c = Q g nicht nutzbar Heizbedarf der Gebäudezone Kühlbedarf der Gebäudezone Bild 2: Erweiterung der bestehenden Monatsbilanzierung um den Kühlbedarf [3] Die Zulufttemperatur liegt in der Regel unterhalb der Raumtemperatur, sie ist in diesem Fall somit als Wärmesenke in der Bilanzierung zu werten. Liegt die Zulufttemperatur (z.b. in den Wintermonaten) oberhalb der Raumtemperatur, ist sie eine Wärmequelle. Durch den Einbezug der Sommermonate in die Bilanzierung kann sich bei der Transmission und der Lüftung das Vorzeichen der Wärmeflüsse umkehren. Zumindest in Südeuropa gibt es Sommermonate, in denen die mittlere Außentemperatur höher liegt als die mittlere Sollinnentemperatur der Gebäudezone. Dies führt zu einer erweiterten Definition von Wärmegewinnen ( Wärmequellen ) und Wärmeverlusten ( Wärmesenken ). Die einzelnen Wärmeströme werden in der neuen DIN V demnach (unabhängig von ihrer bisherigen Definition nach DIN EN 832 bzw. EN ISO 13790) entsprechend ihrem jeweiligen Temperaturniveau den Wärmequellen oder den Wärmesenken zugeordnet. Dies hat den Vorteil, dass negative Gewinn/Verlust-Verhältnisse vermieden werden. Das Verhältnis von Wärmequellen zu Wärmesenken hat immer einen positiven Wert und der Ausnutzungsgrad der Wärmequellen bleibt im bisher definierten Bereich. Bild 3 gibt eine Übersicht über die Zuordnung die einzelnen Wärmeströme (fühlbare Wärme) in der Gebäudezone auf die beiden Bilanzgrößen Q sink (Wärmesenken) und Q source (Wärmequellen). Nutzenergiebedarf für das Heizen und Kühlen einer Gebäudezone Seite 3 von 21 veröffentlicht in Bauphysik 2006 Heft.4

4 bisher: VERLUSTE GEWINNE Transmissionswärmeverluste Lüftungswärmeverluste Solare Wärmeinträge Interne Wärmeeinträge (pauschal) neu: WÄRMESENKEN Q sink WÄRMEQUELLEN Q source Transmissionswärmeausträge Lüftungswärmeausträge Kälteeinträge durch mechanische Lüftung Interne Kälteeinträge - durch Verteilleitungen des Trinkkaltwasser- und Kühlmittelsystems - durch Kälteerzeugung in der Zone - durch Luftkanäle - durch Waren oder Stoffdurchsatz Transmissionswärmeeinträge Lüftungswärmeeinträge Wärmeeinträge durch mechanische Lüftung Solare Wärmeeinträge (opak und transparent) Interne Wärmeeinträge - durch Verteilleitungen des Heizungs- und Trinkwarmwassersystems - durch künstliche Beleuchtung - durch Personen, Geräte und Maschinen - durch Produktionsprozesse, Waren oder Stoffdurchsatz Bild 3: Zuordnung der einzelnen Wärmeströme einer Gebäudezone auf Q sink und Q source Die beiden Bilanzgleichungen für den Heiz- und Kühlbedarf werden somit auf die eindeutige und in sich verständliche Definition erweitert (Bild 4): Q h = Q sink - η Q source Q c = (1-η) Q source mit: Q h Q c Q sink Q source η monatlicher Heizwärmebedarf in der Gebäudezone monatlicher Kühlbedarf in der Gebäudezone monatlicher Wert der Wärmesenken in der Gebäudezone (heat sink) monatlicher Wert der Wärmequellen in der Gebäudezone (heat source) monatlicher Ausnutzungsgrad der Wärmequellen in der Gebäudezone (für Heizzwecke) Nutzenergiebedarf für das Heizen und Kühlen einer Gebäudezone Seite 4 von 21 veröffentlicht in Bauphysik 2006 Heft.4

5 Bild 4: Bilanzierungsschema für die erweiterte Bilanzierung nach DIN V [4] Der Ausnutzungsgrad η der Wärmegewinne berücksichtigt das zeitlich unterschiedliche Auftreten von Wärmesenken und Wärmequellen in der Gebäudezone. Der Ausnutzungsgrad η nach DIN EN 832 und EN ISO ist abhängig vom Verhältnis Wärmegewinne Q g zu Wärmeverlusten Q l und ist gleichbedeutend mit dem Verhältnis Q source / Q sink. Weiterhin geht in den Ausnutzungsgrad η die Zeitkonstante t der Gebäudezone ein. Q source C η = f, t wirk t = f Qsink HT, HV, Inf+Win, H V, mech mit: t Zeitkonstante der Gebäudezone C wirk wirksame Wärmespeicherkapazität der Gebäudezone H T Gesamttransmissionswärmekoeffizient über die wärmeübertragende Umschließungsfläche der Gebäudezone H V, I+W Gesamttransmissionswärmekoeffizient für Infiltration und Fensterlüftung der Gebäudezone H V,mech temperaturkorrigierter Gesamttransmissionswärmekoeffizient für die mechanische Lüftung der Gebäudezone Der formelmäßige Zusammenhang für die Bestimmung des Ausnutzungsgrades η ist unter Berücksichtigung der Zeitgänge der einzelnen Wärmequellen und Wärmesenken aus vielen Simulationsrechnungen hergeleitet worden. Nutzenergiebedarf für das Heizen und Kühlen einer Gebäudezone Seite 5 von 21 veröffentlicht in Bauphysik 2006 Heft.4

6 Grundsätzlich muss man zwischen dem Ausnutzungsgrad der Wärmequellen (für Heizzwecke) und dem Ausnutzungsgrad der Wärmesenken (für Kühlzwecke) unterscheiden. Beide Ausnutzungsgrade lassen sich aber ineinander überführen und sind damit gleichwertig. Eine Unterscheidung in Ausnutzungsgrad für Wärmequellen und Wärmesenken ist daher nicht erforderlich. Somit kann der bisher benutzte Algorithmus für den Ausnutzungsgrad nach DIN EN 832 und EN ISO unverändert übernommen werden (Bild 5). Ausnutzungsgrad η 1 0,8 0,6 0,4 üblicher Bereich Zeitkonstante 0 h (Grenzwert) t 12 h (sehr leicht) (Grenzwert) 120 h (sehr schwer) 120 h (sehr schwer) 8 (Grenzwert) 12 h (sehr leicht) 0 h (Grenzwert) 0, Q source Q sink Bild 5: Verlauf des Ausnutzungsgrades η für unterschiedliche Zeitkonstanten t Neue Anforderungen an das Bewertungsverfahren für Gebäude Die Bewertung von Wohngebäuden bezüglich des Heizwärmebedarfs erfolgte bisher nach DIN V und den entsprechenden internationalen Normen DIN EN 832 und DIN EN ISO mittels eines Monatsbilanzverfahrens für die Wärmeverluste und Wärmegewinne. Durch die Ausweitung des Bewertungsverfahrens auf den Nichtwohnbereich und den Einbezug der Raumlufttechnik gewinnen Aspekte an Gewicht, die in der reinen Heizbedarfsbetrachtung unwichtig waren und daher vernachlässigt wurden. Was kann aus der bisherigen Methode der Bilanzierung für Gebäude mit Heizung nach DIN EN 832 bzw. EN ISO übernommen werden? Grundsätzlich kann das bisherige Verfahren der Monatsbilanzierung nach DIN EN 832 bzw. EN ISO übernommen werden, jedoch muss das Verfahren um die Raumlufttechnik und den Kühlbedarf ergänzt werden. Die bei Gebäuden mit Kühlung und/oder Raumlufttechnik unumgängliche funktionale Zonierung eines Gebäudes ist vom Grundsatz her in den derzeitigen Verfahren bereits enthalten. Auch eine Aufteilung in Nutzungszeiten und Restzeiten (Wochenende, Ferienzeiten) ist nach EN ISO prinzipiell bereits möglich. Ebenso können wesentliche Teile der Vorgehensweise zur Bewertung der Übergabe-, Verteilungs- und Nutzenergiebedarf für das Heizen und Kühlen einer Gebäudezone Seite 6 von 21 veröffentlicht in Bauphysik 2006 Heft.4

7 Umwandlungsverluste nach DIN beibehalten werden. Es sind jedoch - wie bereits erwähnt - Ergänzungen bei der Raumlufttechnik und der Kühlung notwendig. Auch können die Verteilverluste der haustechnischen Anlagen nicht mehr pauschal bei der Gebäudezonen-Bilanz berücksichtigt werden, sondern sind in der monatlichen Gebäudezonen-Bilanz jeweils mit dem Ausnutzungsgrad η zu berücksichtigen. Die pauschale Festlegung der Heizperiode unabhängig vom Wärmedämmstandard und der Nutzung konnte ebenfalls nicht übernommen werden, sondern mußte differenziert werden, was aber in der Systematik der monatlichen Bilanzierung möglich ist. Was ändert sich bzw. ist zusätzlich erforderlich gegenüber der Methode der monatlichen Bilanzierung für Gebäude mit Heizung nach DIN EN 832 bzw. EN ISO 13790? Zunächst einmal muss für den Fall eines klimatisierten Gebäudes von geänderten Nutzungsbedingungen gegenüber rein beheizten Gebäuden ausgegangen werden: Die Raumsolltemperatur während der Heizperiode ist für klimatisierte Gebäude höher anzusetzen als für rein beheizte Gebäude (in der Regel 22 C anstatt 20 C). Es ist bei der Raumsolltemperatur zwischen dem Heizfall (z.b. im Mittel 22 C) und dem Kühlfall (z. B. im Mittel 24 C) zu differenzieren. Die Innenlasten sind in der Regel höher und über den Wochenzyklus und über das Jahr variabel (z. B. Beleuchtung, Ferienzeiten, Werktage/Wochenende). Innenlasten durch Beleuchtung müssen getrennt ausgewiesen werden und abhängig von der Nutzungsanforderung, der natürlichen Belichtung mit Tageslicht (unter Berücksichtigung des Sonnenschutzes) im Jahresgang berücksichtigt werden Ein beweglicher Sonnenschutz an den Fenstern muss sowohl bei den Wärmequellen in der Gebäudezone als auch bei der Beleuchtung einbezogen werden. Der Kälteeintrag durch den Grundluftvolumenstrom der RLT-Anlage (Wärmesenke) ist in der Gebäudezonenbilanzierung zu berücksichtigen. Zudem sind folgende weitere Anforderungen an das Verfahren zu stellen: Für die Bewertung der Luftaufbereitung ist ein zusätzlicher Verfahrensbaustein erforderlich (Benchmark-Verfahren). Durch den Einbezug der Sommerperiode aber auch grundsätzlich bei Nichtwohnbauten (z.b. Büros) - ist ein differenzierter Einbezug des Sonnenschutzes erforderlich. Die vereinfachte Ermittlung der wirksamen Wärmespeicherkapazität des Raumes über die 10 cm Regel ist nicht in allen Fällen ausreichend genau, hier ist in Sonderfällen eine genauere Ermittlung auf Basis von DIN EN ISO vorgesehen. Eine Trennung in Nutzungszeit und Restzeit ist für eine ausreichende Genauigkeit erforderlich. Folglich müssen auch die Randbedingungen der Nutzungs- und Nichtnutzungszeiten getrennt ausgewiesen werden. Eine klare Zonierung des Gebäudes nach Nutzungsanforderungen ist erforderlich. In jedem Fall muss eine Zonierung nach unterschiedlichen haustechnischen Anlagen erfolgen. Eine Begrenzung der Bilanzierungsberechnung auf die Heizperiode ist nicht mehr möglich. Nutzenergiebedarf für das Heizen und Kühlen einer Gebäudezone Seite 7 von 21 veröffentlicht in Bauphysik 2006 Heft.4

8 Bei der Ermittlung der Übergabe-, Verteilungs- und Umwandlungsverlusten muss aufgrund der verschiedenen Anlagenkomponenten der Raumlufttechnik eine Vielzahl weiterer Parameter mit einbezogen werden. Hier besteht die Anforderung an das Verfahren darin, geeignete Vereinfachungen vorzunehmen, ohne eine Verschiebung der Ergebnisrelationen für unterschiedliche Anlagensysteme zu erhalten. Insbesondere bei RLT-Anlagen mit variablem Volumenstrom (VVS-Anlagen) muss der Ventilatorstrombedarf differenziert ermittelt werden. Schnittstellen bei der Bilanzierung der Gebäudezone Das neue Bewertungsverfahren für die Ermittlung des Nutzenergiebedarfs in der Gebäudezone zeichnet sich somit durch eine erweiterte und allgemeingültigere Formulierung sowie durch eine stärkere Verknüpfung mit anderen Bilanzanteilen aus. Einige Teile können aus den bisherigen Bewertungsverfahren übernommen werden, andere mussten neu konzipiert werden. Im nachfolgenden Abschnitt wird auf die Schnittstellen zu den anderen Bilanzanteilen eingegangen. Schnittstelle Gebäudezone Luftaufbereitung Bei Gebäuden mit raumlufttechnischen Anlagen entsteht im Allgemeinen ein Heizund Kühlbedarf sowohl im Raum als auch innerhalb der RLT-Anlage zum Erwärmen, Kühlen, Be- und Entfeuchten der zugeführten Luft. Grundprinzip der Ermittlung des Nutzenergiebedarfs von Gebäuden mit raumlufttechnischen Anlagen ist daher eine geeignete Definition der Bilanzgrenze zwischen der Gebäudezonen-Bilanzierung und der Ermittlung des Nutzenergiebedarfs für die Luftaufbereitung der RLT-Anlage. Es muß somit zwischen dem innerhalb der Gebäudezone anfallenden, lastabhängigen Heiz- und Kühlbedarf und dem davon unabhängigen, in der vorgelagerten Luftaufbereitung entstehenden Heiz- und Kühlbedarf unterschieden werden. Volumenstrom und Zulufttemperatur (in die Gebäudezone) der aufbereiteten Zuluft sind die Schnittstellen zwischen beiden Bilanzbereichen und müssen daher abhängig vom Anlagentyp und der Nutzung ermittelt bzw. festgelegt werden. Diese Bilanzgrenze entspricht der üblichen Konzeption und Regelung von RLT-Anlagen. Im Klimazentralgerät wird in der Regel unabhängig von der momentanen Heiz- oder Kühllast der angeschlossenen Räume die Außenluft auf einen vorgegebenen Zuluftzustand hin erwärmt oder gekühlt, gegebenenfalls auch be- oder entfeuchtet. Im oder vor dem Raum wird die zugeführte Luft entsprechend der vorliegenden Raumlast nacherwärmt oder nachgekühlt. Die Regelung der Raumtemperatur übernimmt also i.a. ein nachgeschaltetes oder zusätzliches Heiz- oder Kühlsystem. Bei VVS-Anlagen übernimmt die Luftmengenanpassung diese Funktion. Alle gängigen Klimatisierungssysteme lassen sich über die Aufteilung in den lastunabhängigen Anteil der Außenluftaufbereitung und den lastabhängigen Anteil zur Raumtemperierung darstellen. Auch Systeme, bei denen die Raumtemperatur über einen variablen Zuluftvolumenstrom geregelt wird (VVS-Anlagen), können über die Aufteilung in einen Grundanteil der Luftaufbereitung und einen lastabhängigen Zusatzanteil für die Temperaturregelung abgebildet werden. Nutzenergiebedarf für das Heizen und Kühlen einer Gebäudezone Seite 8 von 21 veröffentlicht in Bauphysik 2006 Heft.4

9 Die vorkonditionierte Zuluft für die Gebäudezone stellt einen Kälteeintrag oder, je nach Zulufttemperatur, Wärmeeintrag dar. Wie andere Wärmequellen und senken, beispielsweise Fensterluftwechsel, Sonneneinstrahlung und interne Wärmequellen, muss dieser Energieeintrag in der Bilanz der Gebäudezone berücksichtigt werden. In der DIN V ist die Bestimmung des Nutzenergiebedarfs für die Aufbereitung der Außenluft auf den vorgegebenen Zuluftzustand in Teil 3 Nutzenergiebedarf für die energetische Luftaufbereitung beschrieben. Zulufttemperatur- und Zuluftmenge, die sowohl bei der Gebäudezonenbilanz als auch bei der Ermittlung der Nutzenergiebedarfs für die Zuluftaufbereitung benötigt werden, sind sowohl von der Nutzung der Gebäudezone als auch vom gewählten Anlagentyp abhängig. Die Zulufttemperatur genauer die Differenz der Zulufttemperatur zur Raumtemperatur - ist beispielsweise durch Behaglichkeitskriterien eingeschränkt. Aber auch die Art der Luftauslässe (z.b. Drallluftdurchlass, Quelllüftung) grenzt den möglichen Temperaturbereich der Zuluft ein. Hinweise hierzu sind in DIN V aufgenommen. Für die Bestimmung der Zuluftmenge sind drei Kriterien ausschlaggebend. Zum einen muss aus hygienischen Gründen ein Mindestluftwechsel eingehalten werden. Dieser ist durch die Art der Nutzung und vor allem durch die Personenbelegung in der Gebäudezone vorgegeben. Zum anderen ist abhängig von der gewählten Anlagentechnik ein minimaler Luftumsatz notwendig, um die Funktion der Lüftungsanlage sicherzustellen. Die Luftmenge ist in der Regel je nach Anlagentypus unterschiedlich. Drittens ist die erforderliche Zuluftmenge bei Nurluft-Anlagen durch den Kühlbedarf der Gebäudezone bestimmt. Benchmark-Verfahren zur Ermittlung des Energiebedarfs der uluftaufbereitung In der neuen DIN V wird zur Bestimmung des Energiebedarfs der Luftaufbereitung ein einfach zu handhabendes Benchmark-Verfahren auf der Grundlage statistischer Auswertungen von detaillierten Testreferenzjahr- Simulationsrechnungen mit einer großen Anzahl von Kombinationen anlagentechnischer Parameter verwendet. Das so geschaffene Benchmark-System ermittelt für 46 typische Anlagenschaltungen den Energiebedarf zur Luftaufbereitung (Heizen, Kühlen, Befeuchten, Entfeuchten, Wärmerückgewinnung, Luftförderung) bei typischen Randbedingungen bezüglich Zulufttemperatur, Betriebszeit und Wärmerückgewinnungsgraden bezogen auf einen Luftvolumenstrom von 1m³/h. Darauf aufbauend kann mit diesem Verfahren in einem zweiten Schritt eine Umrechnung der Kennwerte bei abweichenden Randbedingungen vorgenommen werden. Diese frei wählbaren Parameter sind die Zulufttemperatur, der Zuluftvolumenstrom, die täglichen Betriebsstunden / die jährlichen Betriebstage, der mittlere Ventilatorwirkungsgrad und die Gesamtdruckverluste. Nutzenergiebedarf für das Heizen und Kühlen einer Gebäudezone Seite 9 von 21 veröffentlicht in Bauphysik 2006 Heft.4

10 Das Bild kann zurzeit nicht angezeigt werden. In Bild 6 ist der schematische Ablauf des Benchmark-Verfahrens nach DIN V dargestellt. Bild 6: Funktionsprinzip des Benchmark-Berechnungsverfahrens [5] Schnittstelle Gebäudezone Beleuchtung Über die Fassadenausführung sind die thermische Gebäudebilanzierung und Ermittlung des Beleuchtungsbedarfs in vielen Details gekoppelt. Eine große Rolle spielen hier bei der Bilanzierung der Gebäudezone für den Heiz- und Kühlbedarf der Gesamtenergiedurchlass von Verglasungen und Sonnenschutzvorrichtungen. Bei der Beleuchtung ist der Transmissionsgrad der Verglasung und der Sonnenschutzvorrichtung ausschlaggebend. Die Nutzung des Sonnenschutzes muß dabei selbstverständlich für beide Systeme identisch sein. Wie Bild 7 zeigt, wird der Sonnenschutz bei der Gebäudezonenbilanzierung nicht mehr mit dem F C -Wert bewertet, da dieser bei identischer Sonnenschutzvorrichtung unterschiedliche F C -Werte abhängig von der Lage des Sonnenschutzes und der Art der Verglasung aufweist. Daher wird der Gesamtenergiedurchlassgrad für Sonnenschutz und Verglasung g tot verwendet. Weiterhin muss berücksichtigt werden, dass der Sonnenschutz üblicherweise nur vorgezogen wird, wenn direkte Sonneneinstrahlung vorhanden ist. Dies wird abhängig von der Himmelsrichtung und Neigung der Verglasung mit dem Aktivierungsfaktor a berücksichtigt. Bauliche Verschattung und beweglicher Sonnenschutz sind konkurrierende Einflüsse. Daher wird der überwiegende Anteil im effektiven Gesamtenergiedurchlassgrad g eff bewertet. Nutzenergiebedarf für das Heizen und Kühlen einer Gebäudezone Seite 10 von 21 veröffentlicht in Bauphysik 2006 Heft.4

11 Bild 7: Berücksichtigung von aktivierbarem Sonnenschutz und baulicher Verschattung im effektiven Gesamtenergiedurchlassgrad bei der Gebäudezonenbilanzierung Der Energiebedarf für die künstliche Beleuchtung der Gebäudezone ist in der Regel identisch mit dem Wärmeeintrag in die Gebäudezone. Bei Abluftleuchten wird in Anlehnung an VDI 2078 der Anteil des Beleuchtungsstrombedarfs, der im Raum als Wärme wirksam wird, mittels des Raumbelastungsgrades bestimmt. Der in der Abluft wirksame Anteil wird dann beim Lüftungssystem mit Wärmerückgewinnung mitberücksichtigt. Endenergiebedarf für die Beleuchtung einer Gebäudezone nach DIN V Der Energiebedarf für die Beleuchtung wird durch die Nutzungsanforderungen, die installierte elektrische Anschlussleistung des Beleuchtungssystems, die Tageslichtversorgung und die Beleuchtungskontrolle beeinflusst. Über die Nutzung einer Gebäudezone werden die Anforderungen definiert, die an ein Beleuchtungssystem zu stellen sind. Sie können mit unterschiedlichen künstlichen Beleuchtungssystemen erfüllt werden. Maßgebliche energetische Parameter sind dann die Beleuchtungsart sowie die Art der Lampen, Leuchten und Betriebsgeräte. Die Nutzung des Tageslichts kann die Betriebszeiten des künstlichen Beleuchtungssystems senken. Maßgebliche energetische Parameter sind hier die klimatischen Randbedingungen, Verbauungen sowie der Fassaden- und Raumausführung. Bild 8 verdeutlicht die Zusammenhänge der einzelnen Einflußgrößen die bei der Nutzenergiebedarfsbestimmung der Beleuchtung berücksichtigt werden müssen. Nutzenergiebedarf für das Heizen und Kühlen einer Gebäudezone Seite 11 von 21 veröffentlicht in Bauphysik 2006 Heft.4

12 Lampentyp Betriebsgeräte Beleuchtungsart Leuchten Präsenz detektion Kunstlicht Geometrie Reflexionsgrade Kontrollsysteme Tageslichtabhängige Kontrolle Raum Tageslicht Oberlichtsystem Klima Aussenraum Fassade Bild 8: Zusammenstellung der Einflussgrößen auf den Nutzenergiebedarf der Beleuchtung [3] Die Methodik zur Ermittlung des Nutzenergiebedarfs für die Beleuchtung muss diese Einflüsse mit hinreichender Genauigkeit bewerten können. Dabei sollen auch die energetischen Potentiale einzelner Beleuchtungsparameter darstellbar sein. Da der Energiebedarf für Beleuchtungszwecke als interner Wärmeeintrag sowohl für den Heiz- als auch für den Kühlfall eingeht, sind die bisher gemachten pauschalen Annahmen bezüglich der internen Wärmegewinne über die Beleuchtung durch eine genauere Betrachtung in DIN V ersetzt worden. Bild 9 erläutert schematisch in einem Ablaufdiagramm die Ermittlung des Nutzenergiebedarfs für die Beleuchtung. Nutzenergiebedarf für das Heizen und Kühlen einer Gebäudezone Seite 12 von 21 veröffentlicht in Bauphysik 2006 Heft.4

13 Flächenbezogene Elektrische Bewertungsleistung p Berechnungsbereich mit Tageslicht A TL Berechnungsbereich ohne Tageslicht A KTL Betriebszeit Nacht t Nacht Betriebszeit Tag t Tag Betriebszeit Nacht t Nacht Betriebszeit Tag t Tag Präsenz F prä Präsenz F prä Präsenz F prä Präsenz F prä t eff,nacht Tageslicht F TL t eff,nacht t eff,tag,ktl t eff,tag,tl Energiebedarf Beleuchtung des Berechnungsbereichs: Q l Bild 9: Ablaufschema zur Ermittlung des Nutzenergiebedarfs für die Beleuchtung [3] Schnittstelle Gebäudezone Verteilsysteme Der Heizwärmebedarf der Gebäudezonen ist Grundlage für die Ermittlung der Verluste des Heizsystems bei Übergabe, Verteilung, Speicherung und Erzeugung. Dabei muss der Anteil ermittelt werden, der innerhalb der Gebäudezone als Wärmeeintrag nutzbar/anrechenbar ist. Die ungeregelten Wärmeeinträge des Heizsystems werden als Wärmequellen in der Bilanz der Gebäudezone berücksichtigt. Heizwärmebedarf, Verluste des Heizsystems und nutzbarer Anteil dieser Verluste sind daher voneinander abhängig. Die Ermittlung des Heizwärmebedarfs und der Systemverluste erfolgt daher in zwei bzw. mehreren Stufen. Der Heizwärmebedarf wird zunächst ohne die ungeregelten Wärmeeinträge der haustechnischen Systeme ermittelt. Ausgehend von diesem Heizwärmebedarf ohne Anlagenverluste wird - abhängig von der Systemauslastung - die ungeregelte Wärmeabgabe des Systems bestimmt und hiermit eine zweite Gebäudezonenbilanzierung durchgeführt. Durch weitere Iterationen können die Ergebnisse noch verbessert werden (Bild 10). Dasselbe gilt natürlich in gleicher Weise für den Kühlbedarf, sowie für die ungeregelten Wärme- und Kälteeinträge durch das Lüftungs- oder das Kühlsystem. Nutzenergiebedarf für das Heizen und Kühlen einer Gebäudezone Seite 13 von 21 veröffentlicht in Bauphysik 2006 Heft.4

14 84 kwh m² a 82 Heizwärmebedarf Iterationsschritt Bild 10: Iterationsschritte bei der Ermittlung des Heizwärmebedarfs Die Ermittlung der Verluste des Heizsystems erfolgt nach DIN V Die Methodik baut auf den Berechnungen nach DIN V auf. Neu ist jedoch die Rückkopplung zum Wärmebedarf der Gebäudezone. Die Ermittlung der Verluste des Kühlsystems und der Kälteerzeugung werden in Teil 7 der DIN V beschrieben. Der Einfluß der Wärmeabgabe des Verteilsystems und der Übergabeverluste ist in Bild 11 anhand eines Beispiels mit zwei unterschiedlichen Bauqualitäten dargestellt. 100 kwh m² a 90 Altbauniveau 100 kwh m² a 90 verbesserter Wärmeschutz, Lüftungsanlage mit WRG ohne Wärmeabgabe aus den Verteilsystemen Verteilleitungen schlecht gedämmt Verteilleitungen gut gedämmt 0 ohne Wärmeabgabe aus den Verteilsystemen Verteilleitungen schlecht gedämmt Verteilleitungen gut gedämmt Wärmeabgabe der Verteilsysteme innerhalb der Gebäudezone Übergabeverluste Bild 11: Beispielrechnung für den Heizwärmebedarf und die Systemwärmeabgabe Nutzenergiebedarf für das Heizen und Kühlen einer Gebäudezone Seite 14 von 21 veröffentlicht in Bauphysik 2006 Heft.4

15 Überschlägige Ermittlung der maximalen Raumkühlleistung P c,max Die Systemverluste - bei Übergabe, Verteilung, Speicherung und Erzeugung - sind jeweils u.a. von der Auslastung der jeweiligen Systemkomponenten abhängig. Daher muß zur Bestimmung der Auslastung außer dem Nutzenergiebedarf auch die Nennleistung des Systems bekannt sein. Über die Systemauslastung lassen sich nicht nur die Verluste der Anlagenkomponenten bestimmen, sondern auch näherungsweise die monatlichen Komponentenbetriebszeiten ermitteln. Über die Laufzeiten der Anlagenkomponenten (Pumpenbetrieb, Ventilatorbetrieb, etc.) kann dann der Hilfsenergiebedarf abgeschätzt werden. Während sich der maximale Heizwärmebedarf relativ einfach über die Wärmeübertragung über die Gebäudehüllfläche bei Auslegungsaußentemperatur und dem Auslegungsbedarf für die Luftaufbereitung bestimmen läßt, gibt es bezüglich der maximalen Raumkühllast bisher kein Abschätzverfahren unter Berücksichtigung des Wärmespeicherverhaltens des Raumes und der Nutzungszeiten. In DIN V wird daher ein Verfahren eingeführt, das ausgehend von der stationären Leistungsbilanz für den Auslegungstag im Sommer - unter Berücksichtigung der Wärmespeicherfähigkeit des Raumes, der zulässigen Temperaturschwankung im Raum und der täglichen Betriebszeit der RLT-Anlage eine überschlägige Ermittlung der maximalen Raumkühlleistung P c,max ermöglicht. t - C C 12 h wirk wirk P 120h = 0,8 P (1+ 0,3 e ) - (Δϑ -2 K) + ( -1) c,max c,stat zul 60 h 40 h/k t B mit: P c,stat stationär ermittelte, maximale Kühllast (P c,stat = P source - P sink ) P source Wärmequellen unter den Auslegungsbedingungen P sink Wärmesenken unter den Auslegungsbedingungen t Auskühlzeitkonstante der Gebäudezone (t = C wirk /H) C wirk wirksame Speicherfähigkeit der Gebäudezone H Wärmeübertragungskoeffizient der Gebäudezone ϑ zul maximal zulässige Raumsolltemperaturabweichung im Hochsommer (in der Regel 4K bis 6K) tägliche Betriebsdauer am Auslegungstag t B Diese überschlägige Ermittlung der maximalen Raumkühlleistung ersetzt selbstverständlich keinesfalls die planerische Auslegung der Anlagen, sondern dient ausschließlich der Abschätzung der Größen innerhalb des Berechnungsverfahrens. Wie in Bild 12 ersichtlich, zeigt das überschlägige Verfahren nach DIN V eine sehr gute Übereinstimmung mit den Vergleichswerten der dynamischen thermischen Gebäudesimulation. Nutzenergiebedarf für das Heizen und Kühlen einer Gebäudezone Seite 15 von 21 veröffentlicht in Bauphysik 2006 Heft.4

16 überschlägig ermittelte Raumkühlleistung Pc, max 3500 W W 3500 maximale Raumkühllast P c, sim Bild 12: Vergleich der überschlägig ermittelten Kühlleistung der Gebäudezone P c,max mit Ergebnissen der dynamischen thermischen Gebäudesimulation P c,sim [4] Beispielrechnung Bei dem in Bild 13 dargestellten Beispielgebäude nach DIN V (Beiblatt Beispiele) handelt es sich um ein 11-geschossiges Bürogebäude mit einem Technikgeschoss (11. OG) und einem unterirdischen Kellergeschoss. Der Aufbau der Obergeschosse eins bis zehn ist identisch (Bild 14). In diesen Geschossen befinden sich Einzel-, Gruppen- und Großraumbüros mit je einer Teeküche. Außerdem sind in allen oberirdischen Geschossen Sanitärzellen sowie Verkehrsflächen bestehend aus Fluren, Aufzügen, Treppenhäusern und jeweils einer Geschoßlobby vorhanden. In Bild 15 ist das Erdgeschoss dargestellt. Hier gibt es - neben den Verkehrsflächen - eine Kantine mit separatem Speisezimmer, einen Küchenbereich, einem Sitzungszimmer, einen Personalraum für die Küche, ein Hausmeisterbüro und ein Stuhllager. Nutzenergiebedarf für das Heizen und Kühlen einer Gebäudezone Seite 16 von 21 veröffentlicht in Bauphysik 2006 Heft.4

17 Bild 13: Schnitt und Ansicht des Beispielgebäudes - Dachaufsicht EG Zone Großraumbüro (RLT) Zone Einzelbüros Zone Verkehrsfläche Bild 14: Grundriss der Obergeschosse eins bis zehn Nutzenergiebedarf für das Heizen und Kühlen einer Gebäudezone Seite 17 von 21 veröffentlicht in Bauphysik 2006 Heft.4

18 Zone Sitzung (RLT) Zone Kantine (RLT) Zone Einzelbüros Zone Küche (RLT) Zone Verkehrsfläche Bild 15: Grundriss Erdgeschoss Zonierung Bislang sind Gebäude stets als Einheit betrachtet worden. Im Nicht-Wohnungsbau ist die Definition einer einzigen Nutzung für das ganze Gebäude jedoch meist nicht möglich. In dem hier betrachteten Bürogebäude gibt es nicht nur Büroräume, sondern auch viele andere Nutzungsbereiche. Somit sind viele verschiedene Zonen vorhanden, die nicht mehr mit einem einzigen, homogenen Nutzungsprofil belegt werden können, zumal auch nicht alle Räume gleich konditioniert werden. Es ist also nicht mehr möglich, das Gebäude als Ganzes zu betrachten, sondern es ist den jeweiligen Nutzungen und Anforderungen entsprechend in Zonen zu unterteilen. Jeder Nutzungsbereich wird einzeln bewertet und dann zum Gesamtgebäude aufsummiert. Eine Zone umfasst in der Regel alle Räume mit einheitlichen Nutzungsrandbedingungen und einheitlicher Anlagentechnik. Die Nutzungsrandbedingungen sind die Raumlufttemperatur, die Nutzungszeit, die Anlagenbetriebszeit, der nutzungsbedingte Mindestaußenluftwechsel, die spezifischen internen Lasten und die Anforderungen an die Beleuchtung. Ziel einer zweckmäßigen Zonierung sollte es sein, ein Gebäude in so vielen Zonen wie nötig, aber so wenigen wie möglich aufzuteilen. Daher sollten einzelne Bereiche sinnvoll zusammengefaßt werden. Bereiche, deren Anforderungen sich nur gering unterscheiden, können generell in eine gemeinsamen Zone zusammengefasst werden. Hierzu zählen beispielsweise Lager- und Verkehrsflächen. Findet ein erhöhter Luftaustausch zwischen zwei Zonen statt (z.b. Verkehrsflächen und angrenzende WC s mit Abluftanlagen), sind diese grundsätzlich in einer Zone Nutzenergiebedarf für das Heizen und Kühlen einer Gebäudezone Seite 18 von 21 veröffentlicht in Bauphysik 2006 Heft.4

19 zusammenzufassen. Die inneren Wärmequellen und der Mindestluftwechsel sind in diesem Fall aus den einzelnen Nutzungsprofilen zu mitteln bzw. nach sachlogischen Kriterien zu ermitteln. Das Beispielgebäude läßt sich für die Nutzenergiebedarfsbestimmung auf sechs in Bild 14 und 15 dargestellte Zonen zusammenfassen: 1. Einzelbüros Nutzungsprofil: Einzelbüro 2. Großraumbüro Nutzungsprofil: Großraumbüro (ab 7 Arbeitsplätze) 3. Sitzung Nutzungsprofil: Sitzung 4. Kantine Nutzungsprofil: Kantine 5. Küche Nutzungsprofil: Küchen in Nichtwohngebäuden 6. Verkehrsfläche Nutzungsprofil: Verkehrsflächen Bewertungsergebnis Der Nutzwärmebedarf macht den größten Anteil der Nutzenergien aus. Dies täuscht jedoch über die Tatsache hinweg, dass bei einer primärenergetischen Betrachtung die Heizenergie nahezu unverändert bleibt, sich hingegen der Energiebedarf für Beleuchtung und Lüftung nahezu verdreifacht. Um diesen Effekt visuell zu verdeutlichen, ist in Bild 16 für den Elektroenergiebedarf ein diesen Relationen entsprechend angepasster Maßstab gewählt. Kälte Wärme Strom Einzelbüros Großraumbüro Sitzung Kantine Küche 376 Verkehrsfläche Gesamt kwh/m²a Nutzkältebedarf Nutzkältebedarf Gebäudezone Nutzkältebedarf Luftaufbereitung Nutzkältebedarf Luftaufbereitung kwh/m²a Nutzwärmebedarf Gebäudezone Nutzwärmebedarf Nutzwärmebedarf Luftaufbereitung kwh/m²a kwh/m²a Beleuchtung Beleuchtung Luftförderung Luftförderung Bild 16: Nutzenergiebedarf an Kälte, Wärme und Strom für Beleuchtung und Lüftung für das Beispielgebäude Wie Bild 16 zeigt, sind die Nutzenergiebedarfswerte in den einzelnen Gebäudezonen (jeweils bezogen auf die thermisch konditionierte Fläche) sehr unterschiedlich. Daraus wird auch die Notwendigkeit der Zonierung deutlich. Eine Modellierung des Nutzenergiebedarf für das Heizen und Kühlen einer Gebäudezone Seite 19 von 21 veröffentlicht in Bauphysik 2006 Heft.4

20 Gebäudes in nur einer Zone würde alle Wärmeeinträge und Wärmeausträge einschließlich der Lüftung über Fenster und mechanische Anlagen auf das Gesamtgebäude verschmieren. Wärmequellen und Wärmesenken würden sich rein rechnerisch ausgleichen, obwohl sie örtlich gesehen überhaupt nichts miteinander zu tun haben. Das Gesamtergebnis für den Nutzenergiebedarf des Gebäudes ist durch keine einzige Zone halbwegs charakterisiert: Nutzwärmebedarf Q h,b = 65,4 kwh/m²a Nutzwärmebedarf der Luftaufbereitung Q vh,b = 7,1 kwh/m²a Nutzkältebedarf Q c,b = 6,3 kwh/m²a Nutzkältebedarf der Luftaufbereitung Q vc,b = 3,5 kwh/m²a Nutzenergie für Beleuchtung Q l,b = 15,1 kwh/m²a Luftförderung Q v,aux = 13,1 kwh/m²a Für das Gebäude ermittelt sich eine maximale Kühlleistung von 14,0 W/m², wovon 7,1 W/m² für die Raumkühlung und 6,9 W/m² für die Kühlung der Zuluft benötigt werden. Demgegenüber steht eine maximale Heizleistung von 54,3 W/m², von der 39,8 W/m² für die Raumheizung und 14,5 W/m² für die Erwärmung der Zuluft notwendig sind. Zusammenfassung Das Bilanzverfahren nach DIN V baut auf den bekannten und bewährten Monatsbilanzverfahren für die Ermittlung des Heizenergiebedarfs auf und ermöglicht - ergänzt um den Kältebedarf, die Luftaufbereitung und die Beleuchtung - eine einheitliche energetische Bewertung eines Gebäudes. Es ist zwischen den Gewerken abgestimmt und berücksichtigt deren Schnittstellen. Aufgrund der nun ganzheitlichen Betrachtung müssen folgende weitere relevante Randbedingungen einbezogen werden: Sommerperiode (variabel) variable Heizperiode Aufteilung in Nutzungs- und Nichtnutzungszeiten Kältebedarf Luftaufbereitung der mechanischen Zuluft Beleuchtung variabler Sonnenschutz nutzungsbedingte Innenlasten, Raumbedingungen und Luftwechsel Das Verfahren ist konform zu der EU-Richtlinie Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden und erfüllt die Anforderungen an zukünftige gesetzliche Regelungen. Nutzenergiebedarf für das Heizen und Kühlen einer Gebäudezone Seite 20 von 21 veröffentlicht in Bauphysik 2006 Heft.4

21 Literatur [1] EU-Richtlinie 2002 / EG DES EUROPÄISCHEN PARLAMENTS UND DES RATES über die Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden 8094/2/02 REV 2. [2] DIN V 18599, Ausgabe: , Energetische Bewertung von Gebäuden Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für Beheizung, Kühlung, Beleuchtung und Warmwasserbereitung. [3] R. David, J. de Boer, H. Erhorn, J. Reiß, L. Rouvel, H. Schiller, N. Weiß, M. Wenning: Heizen, Kühlen, Belüften & Beleuchten Bilanzierungsgrundlagen zur DIN V 18599, Fraunhofer IRB Verlag, Stuttgart [4] R. David, L. Rouvel, M. Wenning: Entwicklung eines Bewertungssystems für den Nutzenergiebedarf für klimatisierte Gebäude, Forschungsvorhaben SANIREV 2 Energetische Bewertung von raumlufttechnischen Anlagen, Endbericht, München [5] H. Schiller: Vereinfachtes Verfahren zur Bewertung des Nutzenergiebedarfs der thermischen Luftaufbereitung und der Luftförderung, Forschungsvorhaben SANIREV 2 Energetische Bewertung von Gebäuden mit raumlufttechnischen Anlagen, Abschlußbericht, Hamburg veröffentlicht in der Bauphysik: Rouvel, L. Wenning M.: Nutzenergiebedarf für das Heizen und Kühlen einer Gebäudezone Bauphysik 28 (2006), Heft 4, S.233/243 PROF. DR.-ING. HABIL. LOTHAR ROUVEL FACHGEBIET ENERGIETECHNIK UND -VERSORGUNG. THERMISCHE GEBÄUDESIMULATION SÄULINGSTRASSE MÜNCHEN TEL.: FAX: ROUVEL@GEBSIMU.DE Nutzenergiebedarf für das Heizen und Kühlen einer Gebäudezone Seite 21 von 21 veröffentlicht in Bauphysik 2006 Heft.4