Richtlinie zur Durchführung einer dynamisch-thermischen Simulationsrechnung für den Sommerlastfall in Gebäuden

Im Planungsprozess werden große Neu- und Umbaumaßnahmen hinsichtlich des sommerlichen Wärmeschutzes simuliert. Mit der Richtlinie sollen vertrauenswürdige Simulationsprogramme, die zu einem zweifelsfreien Ergebnis des Raumtemperaturprofils gegebenenfalls unter Einbeziehung der Raumluftströmungen führen, evaluiert und für die Anwendung empfohlen werden.Projektlaufzeit: Oktober 2006 - Oktober 2007

Die thermische Gebäudesimulation ist hervorragend geeignet, um das dynamische Temperaturverhalten in Gebäuden abzubilden. Hierfür bietet der Markt heutzutage weit entwickelte, leistungsstarke Simulationswerkzeuge. Trotz solch hochwertiger Werkzeuge gibt es jedoch gravierende Schwachstellen bei deren Anwendung. Während die weit verbreiteten Simulationsprogramme den eingeführten Qualitätsanforderungen genügen, fehlen Mindestanforderungen an deren konkrete Anwendung.

In der Vergangenheit gab es somit oft Zweifel an derartigen Gebäudesimulationen, weil sich unter anderem nur unplausible Ergebnisse für den Ist-Zustand eines umzubauenden Gebäudes ergaben. Die Ursachen hierfür liegen in ganz unterschiedlichen Bereichen:

• unzutreffende Annahmen bei den klimatischen Randbedingungen
• keine oder falsche Berücksichtigung des Mikroklimas, unvollständige Wetterdatensätze und Unterbewertung des Windeffektes, insbesondere bei Gebäudekonzepten mit Fensterlüftung
• keine oder falsche Berücksichtigung des Nutzerverhaltens im Bezug auf die Bedienung von Sonnenschutz und Fensterlüftung
• Überbewertung des thermischen Effektes luftgeführter, passiver Kühlsysteme (insbesondere Nachtlüftung, aber auch hybride Lüftungssysteme mit maschinell unterstützter Lüftung am Tag)
• keine Berücksichtigung der freien Lüftung und falsche Modellierung des interzonalen Luftwechsels in Form von Netz-Knoten-Modellen
• unzutreffende, sowohl zu hohe als auch zu niedrige, Annahmen bezüglich der internen Wärmelasten
• ungenügende Abbildung des Sonnenschutzkonzeptes mit einem entsprechenden Modell für den zeit- und winkelabhängigen g-Wert
• keine Bewertung in Abhängigkeit der Raumgeometrie und -orientierung innerhalb des Gebäudes sowie unzulässige Zusammenlegung von (kritischen) Räumen zu größeren Zonen
• falsche Annahmen in Bezug auf die Nutzungszeit der Gebäude (häufig zu positiv)
• Überschätzung der Wirkung interner Speichermassen (z. B. Wirkung von Möbeln vor Innenwänden oder des vertikalen Temperaturunterschieds im Raum)
• falsche Berücksichtigung bauphysikalischer Eigenschaften wie Wärmeüberganskoeffizienten, Emissionswerte und solare Absorption
• unzureichende Berücksichtigung der thermischen Eigenschaften von thermisch aktiven Bauteilsystemen TABS

Wie bereits erwähnt, sind die auf dem Markt befindlichen Simulationsprogramme in der Lage, den an sie gestellten Anforderungen gerecht zu werden.

Auf Grundlage von Erfahrungen aus Planungsprojekten wurde eine "Richtlinie zur Durchführung einer dynamisch-thermischen Simulationsrechnung für den Sommerlastfall in Gebäuden" entwickelt, die künftig als Hilfestellung bei der thermischen Gebäudesimulation herangezogen werden soll. Mit der Richtlinie werden vertrauenswürdige Simulationsprogramme, die zu einem zweifelsfreien Ergebnis führen, für die Anwendung empfohlen. Zudem werden die Randbedingungen zur Durchführung der Simulationsrechnungen und deren Auswertung dargestellt.

Auftragnehmer des Forschungsprojektes war das Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme, Freiburg.

Konzept

Um die Qualität der thermischen Gebäudesimulation zu verbessern, mussten die Schwachstellen der Simulationsprogramme identifiziert werden. Dieses geschah anhand einer kritischen Analyse der vorhandenen Regelwerke, den Erfahrungen aus Analysen der Betriebsergebnisse von Neubau- und Bestandsgebäuden sowie einer umfangreichen Marktanalyse von Simulationsprogrammen. Konkrete und praxisnahe Lösungsvorschläge zeigen eindeutig, dass die Qualität der thermischen Gebäudesimulation bedeutend verbessert werden kann.

Projektstufen

1. Grundlagenermittlung
2. Markterhebung der Simulationsprogramme
3. Auswertung realisierter Bundesbauvorhaben
4. Entwicklung einer Richtlinie

Forschungsleitfragen

• Wo liegen heute die Schwachstellen der thermischen Gebäudesimulation?
• Welche Erfahrungen liegen aus zurückliegenden Projekten vor?
• Sind die Simulationsprogramme heute in der Lage, das sommerliche Raumklima ausreichend genau vorherzusagen? Und mit welchen statistischen Schwankungen ist in typischen Projekten zu rechnen?
• Wie können Simulationsergebnisse transparent, einheitlich und entsprechend der neuesten Erkenntnisse aus Richtlinien, Normen und der Forschung bewertet werden?
• Wie kann die thermische Gebäudesimulation effizient zur Optimierung des Gebäudes sowie der Anlagentechnik beitragen?
• Wie kann die Qualität einer thermischen Gebäudesimulation seitens des Anwenders sichergestellt und seitens des Auftragnehmers bewertet werden?

Ergebnisse

Die thermische Gebäudesimulation beschäftigt sich mit der Berechnung der energetischen Situation in geplanten oder schon bestehenden Gebäuden. Im Mittelpunkt stehen die Ermittlung des Jahresenergieverbrauches und das dynamische Temperaturverhalten zur Bewertung der haustechnischen Anlagen und des architektonischen Entwurfes.

Ziel der Berechnungen ist es immer, einen Zustand im Gebäude zu erzeugen, der von der Mehrzahl der Menschen als behaglich empfunden wird. Somit ist das wichtigste Ziel der thermischen Gebäudesimulation eine gesteigerte Behaglichkeit bei gleichzeitiger Reduzierung der Investitions- und Betriebskosten. Bei großen Bürogebäuden kann durch die Behaglichkeitssteigerung der über den Lebenszyklus gesehene geringfügig erhöhte Mitteleinsatz für die energetische Optimierung in mehrfacher Form wieder gewonnen werden. Größere Behaglichkeit führt zu sinkenden Krankenständen sowie zu höherer Leistungsfähigkeit der Mitarbeiter. Hinzu kommt, dass die technische Gebäudeausstattung meist mit einer deutlich geringeren Leistung auskommt.

Wird die Gebäudesimulation unter den richtigen Bedingungen eingesetzt, führt sie zu beträchtlichen Energieeinsparungen bei Raumwärme, -kälte sowie dem Strombedarf der Gebäude. Außerdem können Konzepte bewertet werden, die im Sommer auch ohne konventionelle Kältetechnik ein behagliches Raumklima gewährleisten. Somit dient die thermische Gebäudesimulation dazu, aus mehreren Planungsalternativen die optimale energetische Lösung zu ermitteln. Sie ist jedoch nur eines der Hilfsmittel für die energetische Optimierung des Gebäudes während der Planung. Weitere Tools für die Entscheidungsfindung sind beispielsweise Checklisten oder multikriterielle Entscheidungsinstrumente.

Alle diese Hilfsmittel sind zu jeweils unterschiedlichen Zeitpunkten im Planungsprozess sinnvoll, um die energetische Effizienz eines Gebäudes, seine Umwelt- und Nutzerfreundlichkeit sowie die Kosten zu optimieren und das dynamische Temperaturverhalten zu bestimmen. Dennoch ist keines in der Lage, die fehlende energetische Qualität eines architektonischen Konzepts zu kompensieren.

Anhand der Schwachstellenanalyse wurden eine Reihe von Verbesserungspotenzialen aufgezeigt:

• Die Verwendung von Wetterdaten ist heute nicht einheitlich vereinbart. Zukünftig sollte eine Simulation mit dem Testreferenzjahr des Deutschen Wetterdienstes und ergänzend mit anderen Wetterdatensätzen erfolgen.
• Große Unsicherheit besteht bei der Auswertung von Raumtemperaturen (stellvertretend für den thermischen Komfort) und die Beurteilung des Raumklimas. Hierzu wird ein einheitliches Bewertungsverfahren in Anlehnung an die EN 15251 vorgeschlagen.
• Obwohl die thermische Gebäudesimulation in vielen Planungsbüros heute zum Tagesgeschäft gehört, sind einzelne Fragen (z. B. die Modellierung von Lüftung, Wärmeübergangskoeffizienten, Nutzerverhalten, Fenstern und Sonnenschutzsystemen) immer noch nicht einheitlich und zufrieden stellend gelöst. Daher werden konkrete Vorschläge unterbreitet, wie mit diesen Fragen umgegangen werden soll.
• Die Auswertung von sechs realisierten Bundesbauvorhaben unter dem Aspekt des sommerlichen Raumklimas zeigt exemplarisch die fehlende Standardisierung in diesem Bereich. So unterscheiden sich die Berichte zur thermischen Gebäudesimulation, die in den Bauvorhaben durchgeführt wurden, deutlich in ihrer Qualität. In vier dieser sechs Projekte wurden Messkampagnen durchgeführt, die Optimierungspotenziale sowohl im Bereich der Planung (Anwendung der Simulationswerkzeuge) als auch in den Gebäuden selbst aufzeigten.
• Die Auswertung und die vergleichende Analyse der Messkampagnen zeigt deutlich, unter welchen Umständen passive Kühlkonzepte funktionieren. Somit ist es notwendig, interne und solare Wärmelasten zu reduzieren, die Wärmeabgabe (hier: Nachtlüftung) effizient zu gestalten und mit einer ausreichend großen thermischen Speicherkapazität dafür zu sorgen, dass Wärmeströme ausgeglichen und so hohe Raumtemperaturen vermieden werden.
• Die thermische Gebäudesimulation ist ein wichtiges Planungshilfsmittel, um Gebäudekonzepte rechnerisch zu bewerten. Sie kann aber eine gute Planung nicht ersetzen.