Effiziente Gebäudetechnik mit Gebäudesimulation als Tool in der Planung mit Praxisbeispiel

Was ist eine Gebäudesimulation?

Effiziente Gebäudetechnik mit Gebäudesimulation ist eine wichtige Komponente, um die Anlagentechnik korrekt auszulegen. Eine Gebäudesimulation bildet ein digitales Abbild eines Gebäudes, eines Stockwerkes oder auch nur eines Raumes und auch der umliegenden Umgebung in einem digitalen Rechenmodell ab. Dieses kann in verschiedenen Detaillierungsgraden abgebildet werden.

Durch die Einstellung verschiedenster Parameter und den eingegebenen Daten, wie z.B. Wetterdaten, Normdaten, Baustoffkennwerte, Klimadaten, Wärmelasten, thermische Speicherfähigkeit wird das Gebäude im Rechenmodell minutengenau über den gesamten Jahresverlauf im Modell durchgerechnet.

Grundlage für das geometrische Modell bilden z.B. ein Aufmaß, CAD-Daten oder bestenfalls ein BIM-Modell des Projektes.

In einigen Fällen kann das BIM-Modell direkt in die Gebäudesimulation eingelesen werden, sodass der Aufwand zur Modellierung reduziert ist. Nach Eingabe der entsprechenden zusätzlichen bauphysikalischen und gebäudetechnischen Parameter wird durch die Simulation das am Ort vorhandene Klima festgelegt und regelungstechnische Parameter eingegeben.

Die äußeren Einflussgrößen, wie solare Strahlung, Lufttemperatur, Luftfeuchte etc. wirken sich direkt auf das eingegebene Modell aus und können so nach kurzer Rechenzeit bewertet werden.

Der entstehende Eingabeaufwand des Modells wird durch die vielfältigen Möglichkeiten mehrfach kompensiert. Beispielweise können Simulationen hinsichtlich:

  • Natürliche, hybride oder mechanische Lüftung mit detaillierten Regelungen
  • Bedarfsgesteuerte Lüftung
  • Verschiedene Bauteilaufbauten
  • Unterschiedliche Heiz-, Kühlsysteme und Temperaturen, sowie Betriebszeiten
  • Tageslicht

spezifisch berechnet werden. Die Gebäudesimulation kann folglich als virtueller Prüfstand des Gebäudes angesehen werden.

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Ansicht eines Gebäudesimulationsmodells als einzelnes Stockwerk mit umlaufendem Balkon als Verschattung

Warum sollte ich eine Gebäudesimulation in der Planung einsetzen?

Im Planungsalltag werden wichtige Entscheidungen, die sich wesentlich bauphysikalisch auswirken können, oft allein unter kurzfristigen wirtschaftlichen Gesichtspunkten getroffen.

Ein häufiger Grund hierfür ist die fehlende Datengrundlage, warum die eine Lösung besser als die andere ist und gegebenenfalls etwas mehr, weniger oder in ganz andere Komponenten investiert werden sollte.

Ein häufiges Beispiel ist die Auswahl der passenden Verglasung, des idealen Sonnenschutzes, der Größe des Wärme-, oder Kälteerzeugers, oder der notwendigen Heiz- und Kühlleistung und Regelung für die Temperierung der Flächen.

Eine rechnergestützte thermische und dynamische Gebäudesimulation kann genau dies ermitteln. Als ideale Grundlage, um wichtige Entscheidungen durch Rechenmodelle besser einzuschätzen, zu visualisieren und Varianten zu untersuchen.

In einem ersten Design ist es zum Beispiel möglich, mit einem einfachen Modell grundlegende Erkenntnisse über das spätere Verhalten und die raumklimatische und energetische Performance des Gebäudes zu erhalten. Dabei werden schon in einer frühen Betrachtung alle dynamischen Effekte am Standort des Projektes mit realen Daten berücksichtigt.

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Ein einzelner Raum in der Gebäudesimulation. Zu sehen sind die angrenzenden Wände und Decken. In der Decke sind drei Heiz-, Kühlsegel eingebaut.
Ein außenliegender Sonnenschutz ist vorgesehen, aber optisch in diesem Fall nicht abgebildet.

Nach der Bildung des digitalen Modells ist es mit verhältnismäßig geringem Aufwand möglich, zukünftige Klimaszenarien anhand prognostizierter Wetterdaten zu berechnen. Hierbei lassen sich Klimadaten für 2035, oder z.B. 2050 auf das Gebäude oder einzelne Stockwerke und Räume anwenden. Eine genaue Betrachtung der Reaktion des Gebäudes, gegenüber den zukünftigen Einflüssen, ist so auf einer soliden Datengrundlage dynamisch gegeben.

Was kann eine detaillierte Gebäudesimulation?

Eine Gebäudesimulation kann durch die digitale Modellierung des Gebäudes vielfältige Fragestellungen abbilden und konkrete Aussagen zum Energieverbrauch, Kosten, CO₂-Emissionen und den raumspezifischen Parametern wie Luft-, Komforttemperaturen, Luftfeuchte, CO₂-Gehalt der Luft, Luftalter oder Oberflächentemperaturen und weiteren Faktoren treffen.

Im Detail lässt sich z.B. betrachten, wie sich eine um 1 °C reduzierte Innentemperatur auf den Heiz- oder Kühlenergieverbrauch auswirkt. Oder ob besser ein außenliegender Sonnenschutz, oder innenliegender Sonnenschutz- oder eine Sonnenschutzverglasung eingebaut wird oder als Alternative überhaupt eingesetzt werden kann.

Des Weiteren werden durch eine Personenbelegung nicht nur energetische Aspekte berücksichtigt, sondern auch der thermische Komfort nach PPD, PMV über den gesamten Jahresverlauf ist anschließend bekannt.

Weiterhin wird der Energiebedarf der Gebäudetechnik erfasst und anhand der Bedarfe kann die Regelung optimiert werden.

Zusammengefasst lassen sich mit einer Gebäudesimulation vielfältige Fragestellungen beantworten, wie:

  1. Was ist der optimale U-Wert für meine Gebäudehülle, um hohen thermischen Komfort und Energieeffizienz und Wirtschaftlichkeit zu erreichen?
  2. Wie groß muss mein Heiz-, Kühlsystem sein und wie ist die Regelung abzustimmen z.B. unter Nutzung der Nachtauskühlung?
  3. Hält mein Gebäude den sommerlichen Wärmeschutz nach DIN 4108-2 bzw. GEG ein?
  4. Wie ist die Tageslichtversorgung in den Räumen?
  5. Wie groß dürfen meine Fensterflächen sein und wie wirkt sich die Verglasung auf den Komfort und Energieverbrauch aus?
  6. Wie viel bringt der außenliegende Sonnenschutz hinsichtlich Komfort und Energie?
  7. Welche CO₂-Pegel und Temperaturen werden mit natürlicher Lüftung erreicht?
  8. Wann schaltet die Kühldecke im Sommer durch die Taupunktfühler ab, wie ist dies im Vergleich zu einer taupunktunabhängigen Kühldecke?
  9. Welche Heiz-, Kühltemperaturen sind für die Beheizung und Kühlung ausreichend?
  10. Wie groß muss meine Lüftungsanlage sein, oder lässt sich darauf verzichten?

Was kann eine Gebäudesimulation nicht?

Das Modell in der Gebäudesimulation ist nur so gut, wie seine Eingabe. Die Modellbildung sollte dabei so genau wie nötig, aber in der Regel nicht so genau wie möglich sein. Dies würde die Berechnungszeiten unnötig verlängern und nicht zwangsläufig zu besseren Ergebnissen führen.

Sehr komplexe Geometrien, oder Druckverhältnisse, oder nicht zusammengefasste Fenster, oder Heizflächen können die Simulationszeiten vervielfachen, ohne einen wirklichen Mehrwert im Ergebnis oder Modell zu bieten. Für eine detaillierte Einschätzung, welche Details angepasst werden, ist tiefgreifendes Fachwissen und Verständnis des Modells notwendig.

Weiterhin betrachtet eine Gebäudesimulation in einer Berechnung auch nur einen Fall. Dieser liefert dann die spezifischen Ergebnisse für diesen Fall. Selbst komplexe oder große Modelle lassen sich aber heute auch mit überschaubarer Rechenkapazität in hunderten oder tausenden möglichen Fällen betrachten.

Eine Parameteranalyse schafft für den Variantenvergleich bzw. projektspezifische Unsicherheiten einen detaillierten Rahmen. Ein Beispiel wäre die Luftdichtheit eines Bestandsgebäudes, welches in einem Bereich von 0,5 – 4 Luftwechsel bei 50 Pa Druckdifferenz liegen kann. Beispielsweise kann dann jede 0,1 Änderung der Luftdichtheit eine neue Berechnung sein, welche dann ausgewertet wird. Also in den Schritten 0,5:0,6:0,7.. 4.

Ein anderes Anwendungsszenario ist die Definition der optimalen Dämmstärke bei einer Innendämmung. Wie muss diese gestaltet sein, um maximale Energieeinsparung, aber auch minimalen Platzverlust zu bieten. Eine weitere Fragestellung ist die Wahl der passenden Vorlauftemperaturen im Heiz-, wie Kühlfall für eine möglichst hohe Effizienz, aber gleichzeitig hohen Komfort in den gewünschten Temperaturgrenzen.

2022 07 12 11 19 44 ABW Architekten IDA ICE IDA ICE @ C  Dropbox DB interpanel interpanel Dropbox  - Effiziente Gebäudetechnik mit Gebäudesimulation als Tool in der Planung mit Praxisbeispiel
Ergebnistabelle einer Parameteranalyse mit IDA-ICE von equa. Jede Zeile ist eine einzelne Simulation über ein ganzes Jahr.

Praxisbeispiel Gebäudesimulation

In einem kurzen Beispiel zeigen wir verkürzt die Eingabe eines einfachen Büroraumes in die Gebäudesimulationssoftware von equa, IDA-ICE.

Datenerhebung und Eingabe

Auszugsweise hier eine Übersicht der notwendigen Eingabedaten für eine raumklimatische Gebäudesimulation.

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Beispielbüro mit 3 Arbeitsplätzen, außenliegendem Sonnenschutz und 2 interpanel Klimapanels und einer Klimaleuchte

Im Beispiel wird ein Büroraum mit ca. 25 m² eingegeben. Folgende Rahmenbedingungen sollten gelten:

  • Standort Düsseldorf
  • 3 Personen als PC-Arbeitsplatz
  • natürliche Fensterlüftung
  • außenliegender Sonnenschutz
  • übliche Büronutzung zu Geschäftszeiten 8-17 Uhr

Folgenden Eingabedaten sind weiterhin erforderlich:

  • Lage und Ausrichtung des Gebäudes
  • Gebäudemodell aus CAD, BIM oder manuell erstellt
  • Wand, Boden, Deckenaufbau und Fenster, Türen
  • Klimadaten des Ortes
  • Wärmelasten, stoffliche Lasten, latente Lasten
  • Personenanzahl
  • Verbindung der einzelnen Zonen über einen Strahlungs- bzw. Luftaustausch

Weiterhin werden Daten zur Regelung der raumklimatischen Parameter festgelegt:

  • Vorlauftemperaturen im Heiz-, Kühlfall
  • Nutzung der thermischen Masse z.B. durch Nachtauskühlung
  • gewünschte Soll-Raumlufttemperaturen im Heiz- und Kühlfall
  • maximale und minimale Luftwechselrate bzw. Volumenströme über mechanische, oder Fensterlüftung
  • Grenzen für den CO₂-Pegel der Raumluft

Neben den genannten Daten sind weitere Detaileinstellungen festzulegen, welche sich mehr oder weniger auf die letztendlichen Ergebnisse auswirken. Beispielweise, ob zuerst über die Fensterlüftung gekühlt werden soll, wenn es draußen kühler als im Raum ist, oder gleich die Kühldecken in Funktion gehen.

Berechnung

Mit den eingegebenen Daten ist dann der Start einer Simulation möglich. Verschiedene Szenarien werden anschließend automatisiert berechnet. Im Kühllastfall werden Standardklimate z.B. nach VDI 2078 angesetzt, um eine maximale Erwärmung bzw. Kühllast abzubilden.

Im Fall der energetischen Simulation wird der reale Klimaverlauf am Ort des Objektes über das gesamte Jahr angewendet.

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Modell des gesamten Stockwerks in der Simulation. Die Grenzflächen nach oben und unten sind adiabat angesetzt. Im Flur sind in diesem Beispielmodell keine Heiz-, Kühlsysteme vorgesehen.
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Außenlufttemperaturen in Düsseldorf als Teil des Klimadatensatzes

Ergebnisse

Für die Ergebnisauswertung stehen verschiedene Möglichkeiten zur Verfügung. In einer ersten Analyse wird die Plausibilität der Ergebnisse geprüft. Mit den Ergebnissen kann anschließende weiter gearbeitet werden.

Wie in folgendem Bild dargestellt, ist ein kontinuierlicher Kühlbedarf von Mai bis September, eine Übergangsphase von März bis April, sowie von September bis Oktober. In der restlichen Zeit wird eher geheizt. Die Leistung ist begrenzt durch die maximale Wärmeabgabe, bzw. Kälteleistung der Deckensegel.

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Auszug: Ausgabe der gesamten Heiz- und Kühlleistung für das Stockwerk

Im unteren Bild sind die Daten des Temperaturverlaufes für einen Büroraum zu sehen. Die Regelung ist hier nach der operativen Raumtemperatur festgelegt, sodass die mittlere Lufttemperatur durch die Verwendung eines Systems mit überwiegendem Wärme-Strahlungsanteil um ca. 2 °C niedriger ist. Dadurch wird ein erhebliches Maß an Energie eingespart.

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Verlauf der Raumtemperaturen für den Beispielraum im Jahresverlauf
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Dauer der Raumtemperaturen für den Jahresverlauf

Weiterhin kann ebenfalls der CO₂-Pegel der Raumluft ausgegeben werden, um z.B. die Lüftung zu untersuchen und die Regelung abzustimmen. Die Personen geben nur während des Tages CO₂ ab und Lüften ca. 2-mal pro Tag, Vormittags und Nachmittags ab 1000ppm CO₂-Gehalt in der Raumluft.

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Interpretation und Parameterstudien

Eine der spannendsten Möglichkeiten ist die Definition von Parameterstudien.

Ein Beispiel verdeutlicht die Komplexität, welche schnell einen hohen Umfang annehmen kann.

Die Anzahl der betrachteten Varianten richtete sich dabei nach den Eingabeparametern und deren Auflösung.

Wenn z.B. der Infiltrationsluftwechsel im Bereich von 0 bis 1 in Schritten von 0,1 untersucht werden soll, sind dies 11 Simulationen. mit der Option, dass die Innendämmstärke entweder 0,2, 5, oder 5 cm beträgt, sind es schon 33 Simulationen, da für jede Änderung der Dämmstärke alle Infiltrationsluftwechselraten berechnet werden.

Damit lässt sich schnell eine große Auswahl an sinnvollen Szenarien abbilden und in einer Datenanalyse vergleichen.

In folgender Grafik sind einige berechnete Varianten für das obige Beispiel ausgewertet worden. Variable Größen sind sowohl die Vorlauftemperatur, als auch der Infiltrationsluftwechsel.

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Ergebnisdarstellung einer Parameteranalyse mit einer Gebäudesimulationssoftware in einem Parallel-Koordinaten Chart

Durch die Selektion eines Bereiches kann zügig der gewünschte Ergebnisbereich gefunden werden. Das bildet anschließend die Grundlage für eine Entscheidung, bzw. für weitere Betrachtungen des Bauvorhabens und wirtschaftlicher Kenngrößen.

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Finden des besten Ergebnispfades in einer Parameteranalyse in einem Parallel-Koordinaten Chart

Das optimale Ergebnis mit den berechneten Daten finden

Jedes Projekt hat seine eigenen Herausforderungen. Um diese Szenarien abzubilden, ist die dynamische Gebäudesimulation ideal geeignet. Im ersten Schritt wurde das Gebäude als digitales Modell in der Simulation abgebildet. Im nächsten Schritt wurden die regelungstechnischen Parameter festgelegt und flexible Randbedingungen definiert. Mit diesem Wissen werden die Ergebnisse miteinander verglichen und die für das Projekt passende Lösung schneller und zuverlässiger gefunden.

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