Wärmetechnische dynamische Gebäudesimulation Sinn und Nutzen aus dieser Berechnungsmethode anhand einiger Beispiele

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1 Fachartikel Wärmetechnische dynamische Gebäudesimulation Sinn und Nutzen aus dieser Berechnungsmethode anhand einiger Beispiele Zusammenfassung: Speziell in diesem Sommer kam vielmals die Frage auf: Wie heiß ist es denn bei Euch? Der Ruf nach einer umfangreichen Planung des sommerlichen Wärmeschutzes wurde immer lauter. Bei der Straffung der Baugelder sowie der immer komplexer gestalteten Gebäude werden die Lebens- und Arbeitsbedingungen im Gebäudeinneren als ein Komfortkriterium, auf das seitens des Nutzers bestanden wird, angesehen. Nicht selten führen Schadensfälle bei nicht eingehaltenen Klimabedingungen zu Preisabzügen und aufwendigen Nachrüstungen oder zumindest zu einer misslichen Stimmungslage aller am Bau Beteiligten. Es ist daher besonders wichtig, das wärmetechnische Verhalten eines Gebäudes vor Baubeginn darzustellen um so eine ausreichende Planung und Abstimmung zwischen den einzelnen Gewerken zu realisieren. Hierbei steht der Wunsch aller Beteiligten ein funktionsfähiges Gesamtbauwerk zu errichten im Vordergrund. Mit dem Mittel der dynamischen Gebäudesimulation kann das wärme- und feuchtetechnische technische Verhalten eines Bauwerkes bereits in der Planungsphase beurteilt und dargestellt werden. Es können die Kühllasten dimensioniert und wirtschaftliche sowie rationelle Maßnahmen zur Umsetzung des Ziels: Ein funktionierendes Gebäude zu erstellen aufgezeigt werden. Die unterschiedlichen Varianten, angefangen von unterschiedlichen Materialien beim Bau bis hin zu unterschiedlichen Lüftungskonzepten, wie zum Beispiel der Nachauskühlung oder auch der Bauteilaktivierung können graphisch und numerisch dargestellt werden. So wird der Einfluss eines jeden Bauteils am späteren Innenklima des Gebäudes aufgezeigt und bewertet. Kosten und Nutzen einer jeden Veränderungsmaßnahme sind ersichtlich und so werden optimierte Maßnahmen zur Erlangung des Ziels gefunden. Seite 1/13

2 Fachartikel Wärmetechnische dynamische Gebäudesimulation Sinn und Nutzen aus dieser Berechnungsmethode anhand einiger Beispiele Komplexe Bauweisen, verbunden mit den Wunschvorstellungen und Erwartungshaltungen der Bauherren, verlangen von den am Bau Beteiligten eine professionelle und effiziente Bauausführung. Darüber hinaus aber wird die detailliertere Betrachtung der bauphysikalischen Zusammenhänge und Werte, wie auch des sommerlichen Wärmeschutzes, für den späteren Nutzer eines Gebäudes immer wichtiger. Durch verbesserte Wärmedämmsysteme werden Wärmeverluste minimiert. Durch die weitergehende technische Entwicklung, durch die zwischenzeitlich fast in jedem Büro entsprechende technische Geräte wie z.b. PC s installiert sind, erhöhen sich gleichzeitig die internen Wärmequellen. Dies geht, wenn auch derzeit noch in Ausnahmefällen soweit, dass Büros in Deutschland auch im Winter so geringe Wärmeverluste aufweisen, daß die internen Wärmegewinne überwiegen und so diese Räume auch im Winter gekühlt werden müssen um ein angenehmes Arbeitsklima zu schaffen. Hierbei ist nicht nur die Temperatur ausschlaggebend, sondern auch die Betrachtung der Luftfeuchte von entscheidender Bedeutung für das Wohlempfinden der Personen und für die wirtschaftliche Dimensionierung der Einzelbauteile wie z.b. zur Bestimmung des tatsächlich erforderlichen Temperaturfaktors f Rsi der Fenster oder Fassade. Seite 2/13

3 Fachartikel Wärmetechnische dynamische Gebäudesimulation Sinn und Nutzen aus dieser Berechnungsmethode anhand einiger Beispiele Bei der dynamischen Gebäudesimulation werden in der Regel zwei unterschiedliche Wetterszenarien untersucht. Zum einen erfolgt die Berechnung mit dem sogenannten Testreferenzjahr für den Standort an dem sich das Gebäude befindet. Dies ist das aus an Messwerten des Deutschen Wetterdienstes angepasste mit stündlichen Witterungsdaten für das ganze Jahr bestehende Normalwetter (Siehe hierzu beispielhaft für die Wintermonate Bild 1 bis 4: Testreferenzjahr für Frankfurt/Main ). Weiters wird die Berechnung mit einem sommerlichen Extremwetter nach oder in Anlehnung an das von der VDI Richtlinie 78 vorgeschlagene Extremwetter durchgeführt. Es kann so das wärme- und feuchtetechnische Verhalten des zu errichtenden Gebäudes unter normalen Witterungsbedingungen sowie unter Extremwetterbedingungen untersucht und dargestellt werden. Es können somit Endscheidungen über die benötigte Gebäudetechnik und deren Dimensionierung sowie der eingesetzten Materialien getroffen werden. Es kann aus wirtschaftlichen Überlegungen der Einsatz der Gebäudetechnik geplant werden. Die Bilder 5 (Temperatur) und 6 (Feuchte) zeigen das zu erwartende Klima eines Raumes aus einer durchgeführten Berechnung als Beispiel mit nächtlicher Raumkühlung durch Nachtlüftung. Analog zu der in den Bildern 5 und 6 dargestellten sommerlichen Extremsituation kann auch die winterliche Situation dargestellt werden. Somit kann nicht nur die Frage beantwortet werden, ob unter Norm-Bedingungen Oberflächenkondensat auftritt, sondern auch wann und über welchen Zeitraum sowie welche Menge Kondensat entsteht. Seite 3/13

4 Fachartikel Wärmetechnische dynamische Gebäudesimulation Sinn und Nutzen aus dieser Berechnungsmethode anhand einiger Beispiele Die Bilder 7 (Temperatur) und 8 (Feuchte) zeigen die Darstellung eines Raumes mit winterlichem Szenario. Anhand dieser Auswertung kann der erforderliche Temperaturfaktor frsi der Fenster oder Fassade bestimmt werden. Durch den Vergleich unterschiedlicher Ausstattungen bzw. Ausführungen wird der Nutzen einer Maßnahme dargestellt und eine Betrachtung aus ökonomischen Gesichtspunkten erfolgt. Anhand eines Beispiels wurde der Einfluss der Wärmerückgewinnung auf die Heiz- und Kühllasten eines Raumes untersucht. Die Bilder 9 (mit Wärmerückgewinnung) und 1 (ohne Wärmerückgewinnung) ergeben den Einfluss auf die Heiz- und Kühllasten während des Verlaufs des Jahres. Aus dieser Differenz kann dann eine Entscheidung getroffen werden, ob es wirtschaftlich ist eine Maßnahme (hier den Einbau einer Wärmerückgewinnung) durchzuführen oder nicht. In dem gewählten Beispiel ergibt sich durch den Einsatz einer Wärmerückgewinnung ein geringerer Heizbedarf in den Monaten Januar bis Mai und September bis Dezember. Es wird jedoch in diesen Monaten auch die Kühllast erhöht, so daß gesamtwirtschaftlich betrachtet sich der Einsatz einer Wärmerückgewinnung negativ bereits in den Betriebskosten auswirkt, da es wesentlich energieaufwendiger ist einen Raum zu kühlen als diesen zu heizen. Bei dieser Überlegung können dann, neben den Betriebskosten zusätzlich noch die Installationskosten betrachtet werden um eine gesamtwirtschaftlich optimierte Lösung zu finden. Um hier Missverständnissen vorzubeugen, handelt es sich bei den dargestellten Ergebnissen um konkrete Einzelfälle, welche nicht zu verallgemeinern sind. Auch welche Vergleiche mittels dem Werkzeug dynamische Gebäudesimulation durchgeführt werden, muss im Einzelfall auf das Seite 4/13

5 Fachartikel Wärmetechnische dynamische Gebäudesimulation Sinn und Nutzen aus dieser Berechnungsmethode anhand einiger Beispiele jeweilige Problem bzw. Bauvorhaben abgestimmt werden. Wird dieses Instrument richtig genutzt, so kann sich ein erhebliches Einsparpotential ergeben und es wird ein kostenoptimiertes funktionierendes Gebäude erstellt. Während ursprünglich die dynamische Gebäudesimulation hauptsächlich zur Ermittlung der zu erwartenden Raumtemperatur (Siehe Bild 11 als Beispiel hierzu) herangezogen wurde, sind die Vergleiche und Optimierungen der Gebäudetechnik heute mit ein wichtiger und effektiver Bestandteil dieser Berechnung. Auch wenn diese meist sehr aufwendig sind, so ist doch bei der heutigen Bauweise, bei der der winterliche Wärmeschutz immer mehr verbessert wird und der Gebäudetechnik mehr und mehr Bedeutung zukommt, eine derartige Untersuchung auf Komfort und ökonomischen Gesichtspunkten bei vielen Bauvorhaben anzuraten. Seite 5/13

6 Der Autor: Dipl.-Ing. (FH) Udo Bergfeld ist Ingenieur der Holztechnik und hat sich auf das Gebiet der bauphysikalischen Belange am Bau sowie im Labor spezialisiert. Die beratende Tätigkeit für Bauelementehersteller und Bauüberwachung vor Ort stellen Schwerpunkte seiner beruflichen Praxis dar. Er ist geschäftsführender Gesellschafter des Prüfinstitutes Angewandte Bauphysik und Objektbegleitung (A.B.O. Rosenheim GmbH), die alle gängigen bauphysikalischen Messungen im Labor und am Bau ausführt sowie Gutachten und Berechnungen zu bauphysikalischen Fragestellungen erstellt. Im Auftrag von Bauträgern wird die bauphysikalische Planung und Baubegleitung für große Objekte übernommen. Die Beratung von Architekten bei Komponenten- und Materialwahl sowie die Bauüberwachung durch den Praktiker gewinnen in der Zeit der komplexen Bauweise auch bei Einfamilienhäusern an Bedeutung. A.B.O.Rosenheim GmbH Bahnhofstraße 67 D-8398 Brannenburg Telefon: +49 () 8 34 / Telefax: +49 () 8 34 / A.B.O.Rosenheim@t-online.de Seite 6/13

7 Kasten Erläuterungen: f Rsi Temperaturfaktor gemäß DIN EN ISO Teil 2 f Rsi = minimale Oberflächentemperatur innen - Außentemperatur Innentemperatur - Außentemperatur Mittels des Temperaturfaktors f Rsi kann ohne aufwendige Berechnungen bei gegebener Innen- und Außentemperatur die für die Beurteilung wichtige Größe der minimalen Oberflächentemperatur innen ermittelt werden. Sensible Kühlenergie entspricht der empfundenen Kühlernergie VDI-Richtlinie: Richtlinie des Verband deutscher Ingenieure Seite 7/13

8 Bild 1 Testreferenzjahr für Frankfurt/Main Monat November November, Zeit in Stunden Bild 2 Testreferenzjahr für Frankfurt/Main Monat Dezember Dezember, Zeit in Stunden Seite 8/13

9 Bild 3 Testreferenzjahr für Frankfurt/Main Monat Januar Januar, Zeit in Stunden Bild 4 Testreferenzjahr für Frankfurt/Main Monat Februar Februar, Zeit in Stunden Seite 9/13

10 Bild 5 Extremwetterszenario mit nächtlicher Raumkühlung, Temperatur Innentemperatur Aussentemperatur Mittwoch, 1. - Montag, 6. August, Zeit in Stunden Bild 6 Extremwetterszenario mit nächtlicher Raumkühlung, Feuchte 3 Absolute Feuchte in g / m³ Aussenfeuchte Innenfeuchte Obere Komfortgrenze Untere Komfortgrenze Mittwoch, 1. - Montag, 6. August, Zeit in Stunden Seite 1/13

11 Bild 7 winterliches Szenario, Temperatur Innentemperatur Aussentemperatur Donnerstag, Dienstag, 3. Januar, Zeit in Stunden Bild 8 winterliches Szenario, Feuchte Relative Feuchte in % Aussenfeuchte Obere Komfortgrenze Innenfeuchte Untere Komfortgrenze Donnerstag, Dienstag, 3. Januar, Zeit in Stunden Seite 11/13

12 Bild 9 Heiz-/Kühlenergien im Jahresüberblick, mit Wärmerückgewinnung Energien in kwh Monatsnummer Heizenergie Sensible Kühlenergie Gesamte Kühlenergie Bild 1 Heiz-/Kühlenergien im Jahresüberblick, ohne Wärmerückgewinnung 3 1 Energien in kwh Monatsnummer Heizenergie Sensible Kühlenergie Gesamte Kühlenergie Seite 12/13

13 Bild 11 Darstellung der Temperaturen im Innenbereich; sommerliches Extremwetter Innenlufttemperatur Oberflächentemperatur Paneel Innenempfindungstemperatur Mittwoch, 1. - Montag, 6. August, Zeit in Stunden Seite 13/13