Thermische Gebäudesimulation

Die thermische Gebäudesimulation ist ein dynamisches Berechnungsverfahren zur Ermittlung von Lasten und Jahresenergiemengen für Heizen und Kühlen bei vorgegebenen Raumparametern und Wetterdaten. Bei den Berechnungen wird der Energiehaushalt der zu untersuchenden Räume/Bereiche in seiner Gesamtheit bilanziert.

Das heißt, es werden nicht nur thermodynamische Wechselwirkungen zwischen Fassaden, Raumlasten und Raumlufttemperatur berücksichtigt, sondern alle Energieverbraucher und Erzeuger sowie das relevante Nutzerverhalten. Die Anforderungen, Berechnungsverfahren und Randbedingungen sind in der VDI 6020 festgelegt.

Vorteile:

  • Klärung energierelevanter Fragestellungen in frühen Planungsphasen
  • frühzeitige Ermittlung gesicherter Planungsgrundlagen zur Systemauslegung
  • Dynamische Ermittlung der thermischen Lasten unter Berücksichtigung der Außenklimaparameter, des Nutzerverhaltens, der bauphysikalischen Gebäudeeigenschaften und der Umgebungsbebauung
  • Möglichkeit von Variantenuntersuchungen zur Optimierung der Investitions- und Betriebskosten
  • Gesicherte Aussagen zu energetischen Bewertungen eines Gebäudes (Jahresenergiebedarf, ENEV, Passivhausstandard)

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Die Thermische Gebäudesimulation ist im Gegensatz zu herkömmlichen Lastberechnungsverfahren ein dynamisches Berechnungsverfahren zur Ermittlung von Lasten und Jahresenergiemengen für Heizen und Kühlen bei vorgegebenen Raumparametern und Wetterdaten.

Bei den Berechnungen wird der Energiehaushalt der zu untersuchenden Räume/Bereiche in seiner Gesamtheit bilanziert. Das heißt, es werden nicht nur thermo­dynamische Wechselwirkungen zwischen Fassaden, Raumlasten und Raum­lufttemperatur berücksichtigt, sondern alle Energieverbraucher und Erzeuger sowie das relevante Nutzerverhalten.

Der Einfluss des Außenklimas auf die klimatischen Verhältnisse im Gebäude wird durch Testreferenzjahre berücksichtigt. Die Referenzjahre beinhalten die stündlichen, zur Beschreibung des Außen­klimas erforderlichen Werte für Luft­temperatur, relative Feuchte, Globalstrahlung, Bewölkung, Windrichtung und -geschwindigkeit.

Weiterhin werden die entsprechend DIN EN 12831 und der VDI 2078 für den Gebäude­standort geltenden Extremwerte für Temperatur und Feuchte zur Simulation von Hitze- und Kälteperioden übernommen. In der Regel wird eine 14-tägige Hitze- und Kälteperiode in die Berechnungen integriert. Die Berechnung wird immer für den Zeitraum eines Jahres durch­geführt.

FOLGENDE EINFLÜSSE KÖNNEN IM RAHMEN DER GEBÄUDESIMULATION BERÜCKSICHTIGT WERDEN:

vom Gebäude (in Zusammenarbeit mit Architekten und Konzeptentwicklern)

  • Ausbildung der Fassade (Anteil und Art der Glasflächen, Mauerwerk, Dämmung, Einfach- oder Doppelfassade)
  • Art der Verglasung (Licht-, Wärmedurchgang)
  • Sonnenschutz (außen, innen, deren Art und Eigenschaften)
  • Speichermassen (Wände, Decken, Böden)

aus der Umwelt, wie

  • Außentemperatur und -feuchte
  • Sonneneinstrahlung (direkt, diffus, Verschattung)
  • Windgeschwindigkeit und -richtung / Einfluss der Infiltration
  • Einordnung des Gebäudes in der Umgebung bzw. der Bebauung


aus den Lasten des Gebäudes einschließlich der Wirkung der haustechnischen und technologischen Anlagen, wie

  • Wärme- und Feuchteabgabe durch Personen
  • Wärme- und Feuchteabgabe durch Geräte, Technologien, Produktionsanlagen
  • Wärmeabgabe durch Beleuchtung
  • Lasten der haustechnischen Anlagen und Steuerung der Sonneneinstrahlung mit Einfluss auf die Beleuchtung und Heiz- bzw. Kühlleistung

Für die Berechnung des thermischen Gebäudeverhaltens wird ein 3D-Simulationsmodell erstellt und entsprechend dem Betrachtungsgegenstand in relevante Räume bzw. Bereiche, sogenannte Zonen, zoniert.
Des Weiteren ist der Einfluss der Umgebungsbebauung auf das Gebäudeverhalten in den Simulationsberechnungen abgebildet.

Durch die Nutzung einer entsprechenden Modellierung und Zonierung ist es möglich, Infiltra­tionen und gebäudeinterne Luftbewegungen sowie die daraus resultierenden Lastverschiebungen und Wechsel­wirkungen zwischen verschiedenen thermischen Zonen zu berücksichtigen.
Im Ergebnis sind sowohl Aussagen zum Jahresverlauf der Gesamtlasten, zum Jahresenergiebedarf als auch zu Temperaturverläufen und Lastverläufen innerhalb kurzer Zeiträume möglich.

Die thermische Gebäudesimulation bietet die Möglichkeit, Eigenschaften der Fassade und des Gebäudes bzw. Raumes zu variieren, dynamisch zu betrachten und die Ergebnisse vergleichend gegenüberzustellen.

Jahresverlauf Heiz- und Kühllast eines Objektes

3-D Modell für Gebäudesimulation

Aufteilung Simulationsmodell in Zonen

Jahresverlauf Heiz- und Kühllast eines Objektes

Jahresgang Außenlufttemperatur Testrefenzjahr TRY DWD 03 typisch mit Hitze- und Kälteperiode

Beispiel Jahresverlauf Kühllast

Beispiel Jahreskühlenergiebedarf

Beispiel Tagesgang Raumtemperaturen

Beispiel Tagesgang sensibler Lasten

Beispiel: Modell der thermisch-energetischen Gebäudesimulation mit Umgebungsbebauung (Prüfung realitätsgetreuer Modellierung an Hand identischem Schattenverlauf)