Dynamische Gebäudesimulation am Beispiel des Solar Decathlon Gebäudes der HS Rosenheim
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Forum Holz│Bau│Energie Köln 10
Dynamische Gebäudesimulation | Dr. Krause et al. 1
Dynamische Gebäudesimulation am
Beispiel des Solar Decathlon Gebäudes
der HS Rosenheim
Dr. Harald Krause
Professor
HS Rosenheim
Rosenheim, Deutschland
Johannes Maderspacher
SDE Team HS Rosenheim
Christoph Morbitzer
Dr.
EQUA Solutions AGForum Holz│Bau│Energie Köln 10 2 Dynamische Gebäudesimulation | Dr. Krause et al.
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Dynamische Gebäudesimulation am
Beispiel des Solar Decathlon Gebäudes
der HS Rosenheim
1. Einführung
Planungsansätze zur Minimierung des Energieverbrauchs von Gebäuden bei gleichzeitiger
Erhaltung oder gar Verbesserung von Komfortbedingungen haben sich in den letzten Jah-
ren mehrmals grundlegend verändert.
Gut veranschaulichen lässt sich diese Entwicklung an energiebezogenen Bauvorschriften.
In den 70er Jahren versuchte man mit der Wärmeschutzverordnung eine Verminderung
des Heizenergiebedarfs von Gebäuden über Anforderungen an Bauteile (U-Werte) zu er-
reichen. Für die Nachweise gemäß Energieeinsparverordnung im Wohn- und Nichtwohn-
bau wurde mit der Normenreihe DIN V 18599 [1] eine sehr komplexe zum Teil iterative
Berechnungsmethoden entwickelt, die den Energieverbrauch für Heizung, Warmwasser-
bereitung, Kühlung und Beleuchtung eines Gebäudes berücksichtigt. Dabei muss immer
wieder darauf hingewiesen werden, dass diese Normenreihe ausschließlich für den öffent-
lich rechtlichen Nachweis unter genormten Randbedingungen gedacht ist und nicht für
die Projektierung eines Gebäudes.
Gleichzeitig werden Simulationsprogramme immer mehr als potentielle Planungswerk-
zeuge identifiziert und fangen an in der Industrie eine breite Anwendung zu finden. Aller-
dings ist der Unterschied zwischen wie in der DIN 18599 und dynamischer Gebäudesimu-
lation oft immer noch nicht richtig verstanden.
Im vorliegenden Beitrag sollen die Möglichkeiten der dynamischen Gebäudesimulation an
Hand der energetischen Projektierung des Rosenheimer Hauses zum Solar Decathlon Eu-
rope 2010 [2] erläutert werden.
2. Grundlagen der Gebäudesimulation
2.1. Unterscheidung stationäre und instationäre Bilanzverfahren
Stationäre oder „quasistationäre“ Verfahren beruhen auf analytischen Lösungsansätzen,
denen meist eine stationäre Näherung von eigentlich instationären Vorgängen zu Grunde
liegt. Mit diesen Ansätzen werden meist auf der Basis von Monatsmittelwerten Energiebi-
lanzen erstellt. Diese Methode kann zu zwei Problemen führen:
Ergebnisse können mit Ungenauigkeiten behaftet sein, falls die stationäre Näherung
nicht geeignet ist. Diese Ungenauigkeiten zu erkennen oder abzuschätzen ist schwie-
rig bis unmöglich.
Für die stationäre Betrachtung werden zwangsläufig Näherungen bzw. Standardisie-
rungen nötig. Optimierungs- oder Variantenrechnungen führen im Bereich der Gebäu-
dehülle und auch der Anlagentechnik führen aufgrund dieser Standardisierung zu
teilweise falschen Lösungsansätzen. Auch ist ein Abgleich der berechneten Werte mit
Messwerten sehr schwer möglich.
Bei dynamischer Gebäudesimulation werden die im Gebäude stattfindenden physikali-
schen Prozesse abgebildet und in sehr kurzen Zeitschritten (oft wenige Minuten) berech-
net. Wärmeströme durch Bauteile werden in stationären Verfahren auf Basis des U-
Wertes ermittelt. Instationäre Verfahren lösen dagegen in den entsprechenden Zeitschrit-
ten die Fouriergleichung für Wärmeleitung oder behandeln die Wärmestrahlung oder
Konvektion nach geeigneten physikalischen Ansätzen.
Somit wird das Gebäude also als ein „Gesamtsystem“ aus verschiedenen, sich unterei-
nander beeinflussenden Einzelkomponenten verstanden. Abbildung 1 veranschaulicht
dies am Beispiel einer einzelnen Zone eines Simulationsmodells.Forum Holz│Bau│Energie Köln 10
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Zone
PI PI
TA I R_A VG HU M AI R _AV G C O 2_A VG Q HE A T_A VG T OP _AV G P PD _A VG PP D_O CC TS UP _AV G M S UP _AV G Q HC _AV G OC C_I N T O CC _HO UR S P DH _OC C M E C H_E XH M EX H _AV G A GE _AV G
AI R SU PR EP A I RS UP RE P
u u u u u u u u u M E CH _SU P O TH ER _SU P
u u
I I
k=2 . 77 8E - 4 k=2 . 77 8E - 4
O CC _TI M E P DH _I NT Q DR Y_A VG Q_S UR F
Sn apM inM ax Sn apM inM ax Sn apM in M ax Q_VENT S napM inM ax Sn apM inM ax S napM in M ax S napM in M ax Sn apM inM ax Sn apM inM ax Sn apM in M ax S napM inM ax Sn apM inM ax
Dur ati o n
TA I R_S NA P H UM A I R_S NA P C O 2_S NA P
- Q HE AT _S NA P T OP _SN AP > 0 .0 1 PP D_S NA P T SU P_S NA P M S UP _SN AP Q HC _SN AP u QD R Y_S NA P M EX H_ SN AP A GE _SN AP
TO P_D UR
I
k =2. 7 78 E- 6
Abbildung 1: Die Schematische Darstellung einer Zone eines Simulationsmodells (links das Gesamtmodell und
Foto des Gebäudes)
Die erzielbare Rechengenauigkeit wurde in einer Vielzahl von Validierungsstudien nach-
gewiesen und ist in Abbildung 2 verdeutlicht.
Watts
C ooling Pow e r, 2 3rd - 2 5th Octo ber
1 0 00 .0
9 00 .0
8 00 .0
7 00 .0
6 00 .0
5 00 .0
4 00 .0
3 00 .0
2 00 .0
1 00 .0
0 .0
7 11 0 . 7 1 15 . 71 2 0. 7 1 25 . 71 3 0. 7 13 5 . 7 14 0. 7 1 45 . 71 5 0. 7 15 5 . 71 6 0. 7 16 5 . 7 1 70 . 71 7 5. 71 80 . Ho ur of Y ea r
Exp erim ent al L owe r Limit ,
Exp erim ent al C ooling P owe r[1 ],
Exp erim ent al U ppe r Limit ,
Sim ulate d C ooling P owe r,
Sun E le vatio n, (*5) D eg
Abbildung 2: Vergleich zwischen Simulation und Messung des Kühlbedarfs in einer TestzelleForum Holz│Bau│Energie Köln 10
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2.2. Anforderungen an die Gebäudesimulation
Unklarheit herrscht häufig auch über den für das Erstellen eines Simulationsmodells be-
nötigten Arbeitsaufwand. Für ein einfaches Modell werden prinzipiell kaum mehr Eingabe-
information benötigt als für eine monatliche Berechnung - Daten wie Raumnutzung, Re-
gelungssollwerte, Gebäudeabmessungen oder Baukonstruktionen werden ja für beide
Rechenmethoden benötigt. Dynamische Simulationsprogramme sind aber häufig flexibel
gehalten und erlauben dem Benutzer die Abbildung des Gebäudes in einem wesentlich
genaueren Detailierungsgrad. Beispiele hier sind eine detaillierte Abbildung der Fenster-
lüftung, komplexe Sonnenschutzsysteme, oder die detaillierte Abbildung und Untersu-
chung von unterschiedlichen lokalen Versorgungselementen. Anwender haben diese Mög-
lichkeiten in der Vergangenheit oft „ausgeschöpft“ und das Gebäude so genau wie mög-
lich statt so genau wie nötig beschrieben. Augenscheinlich ergaben sich dadurch Interes-
senskonflikte:
detailliert vs. einfach
genau vs. schnell
flexibel vs. Sicher
Durch die Entwicklung neuartiger Tools wurden allerdings Brücken geschlagen, die Ge-
bäudesimulation jetzt auch dem weniger erfahrenen Anwender erschliesst. Dadurch be-
kommt Simulation jetzt auch im Baubereich den Stellenwert den sie in Industriezweigen
wie der Fahrzeug- oder Schiffbau schon länger gefunden hat.
2.3. Moderne Simulationstools - Beispiel IDA Klima und Energie
Die sich im Verlauf der Planung, des Baus und des Betriebs eines Gebäudes stellenden
Fragen nach dem Risiko für Diskomfort oder des Leistungs- und Energiebedarf sind so-
wohl in der Tiefe wie in der Breite variabel: Während sie zu Beginn sehr allgemein formu-
liert sind, werden sie im Verlauf der Zeit immer genauer und spezialisierter. Schade ist
nun, wenn die dabei verwendeten Tools nur schlecht oder gar nicht aufeinander abge-
stimmt sind und dieselbe Information immer wieder von neuem zusammengetragen und
eingegeben werden muss. So wird beispielsweise die Neigung, die Ausrichtung und die
Fläche eines Daches für ganz verschiedene Planungsfragen benötigt: Anlagendimensio-
nierung, Optimierung der Gebäudehülle, Tageslichtsimulationen, Abschätzung des som-
merlichen Überhitzungsrisikos, Ertrags einer Solaranlage sind nur ein paar Beispiele.
Moderne Simulationsprogramme verwenden dasselbe Modell für die Untersuchung dieser
unterschiedlichen Fragestellungen, allerdings mit Benutzeroberflächen, die den Anwender
bei der Bearbeitung anleiten und den Arbeitsaufwand minimieren. Gleichzeitig sollten
diese Programme aber bei Bedarf einen Detailzugriff auf das Modell zulassen, wenn dies
für die Untersuchung eines bestimmten Sachverhaltes von Nöten ist. Ein Beispiel ist hier-
für ist das Simulationsprogramm IDA Klima und Energie [3]: Mittels einfacher Eingabeas-
sistenten kann das wesentliche und übliche mit minimalem Aufwand abgedeckt werden.
Die Gebäudeinformationen können dabei wahlweise direkt eingegeben oder via ifc-
Format von einem CAD-Programm importiert werden. Die mathematischen Modelle wer-
den automatisch gebildet und für den Solver vorbereitet. Je nach Bedarf kann das Modell
am einen oder anderen Ort genauer definiert werden, ohne dass auf spezialisierte Pro-
gramme zurückgegriffen werden muss. Der Benutzer hat bei speziellen Fragen Einblick
und Einfluss bis tief in die gleichungsbasierte Beschreibung der physikalischen Vorgänge.Forum Holz│Bau│Energie Köln 10
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2.4. Der Nutzen
Wird Simulation nach diesem Prinzip angewendet bieten sich dem Anwender unterschied-
liche Möglichkeiten und Vorteile:
Entwurfswerkzeug: Auswirkungen von Form und Systemwahl auf die Funktion eines
Gebäudes
Planungssicherheit: Voraussagen über Energieverbrauch und Komfort in geplanten
Gebäuden
Planungshilfe: Dimensionierung der Gebäudetechnik
Planungsfreiheit: Entwicklung neuer Systeme
Gutachten: Belegen oder Widerlegen von Aussagen
Illustration: Anschauliche Darstellung der Funktionsweise von Gebäuden
Das folgende Beispiel verdeutlicht dies.
3. Simulationsrechnungen am SDE-Gebäude der Hoch-
schule Rosenheim
Die Hochschule Rosenheim nimmt 2010 an dem internationalen Wettbewerb Solar De-
cathlon Europe teil [2]. Ziel dieses Wettbewerbes ist es, ein Plusenergiehaus zu planen
und zu bauen. Der Begriff Plusenergiehaus wird im Sinne des Wettbewerbes als ein Ge-
bäude definiert, dass über die Bilanzierung der Stromverbräuche und Gewinne in Zeit-
raum eines Jahres eine ausgeglichene oder positive Bilanz aufweist (Net-Zero buildings).
Ein Teil der Aufgabenstellung bestand darin, das Hauskonzept für unterschiedliche Klima-
zonen zu untersuchen. Im Folgenden werden diese Untersuchungen auszugsweise darge-
stellt. Das Gebäudekonzept soll dabei nicht verändert werden, jedoch besteht die Mög-
lichkeit Baustoffe oder Komponenten der Gebäudetechnik zu optimieren oder zu wech-
seln. Als Untersuchungswerkzeug diente die Gebäudesimulationssoftware IDA Klima und
Energie [3].
3.1. Randbedingungen und Klimaorte
Das Rosenheimer SDE-Gebäude (Abbildung 3) wurde nach dem Passivhauskonzept ent-
worfen und geplant. Ziel ist es dabei, durch geeignete Maßnahmen den Energiebedarf für
Heizung und Kühlung soweit zu minimieren, dass ein behagliches Raumklima ohne auf-
wendige Gebäudetechnik erreichbar ist. Zudem werden die Verbrauchswerte auf ein Mi-
nimum reduziert. Der Nutzenergiebedarf für Heizung und Kühlung soll unter 15
kWh/(m²a) liegen, was allerdings nicht für alle Klimata möglich war.
Weitere Kennzeichen des Gebäudes sind:
U-Werte der opaken Bauteile ca. 0,1 W/(m²K)
3-Scheiben-Verglasung mit Ug = 0,6 W/(m²K)
Heizen und Kühlen sowie Warmwasserbereitung über eine Wärmepumpe
Heiz- Kühldecke
Lüftungsanlage mit ca. 85% Wärmebereitstellungsgrad, Enthalpiewärmetauscher für
Kuala Lumpur
Außenliegender SonnenschutzForum Holz│Bau│Energie Köln 10
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Abbildung 3: Visualisierung des Rosenheimer Hauses. Die „Zacken“-Fassade als variabler Sonnenschutz ist eine
Eigenentwicklung der HS Rosenheim
Das Gebäude wurde dazu zunächst mit dem Passivhaus-Projektierungspaket (PHPP) 2007
[4] energetisch vorprojektiert. Um die aufgrund des Entwurfes stark schwankenden dy-
namischen Lasten zu ermitteln, wurde die dynamische Simulation eingesetzt. Letztere
wurde dann ebenfalls für die Ermittlung der Jahresenergiedaten verwendet. Einen Ver-
gleich der Ergebnisse aus dem PHPP und der Simulation wird gesondert veröffentlicht [5].
Mit Rosenheim, Madrid (Ort des SDE Wettkampfes) und Kuala Lumpur wurden 3 deutlich
unterschiedliche Klimata untersucht. Die Klimadaten wurden mit der software meteonorm
erzeugt [6].
Rosenheim als Standort der Hochschule bietet ein Interkontinentales Klima. Dabei sind
gemäßigte Temperaturen im Sommer und Winter anzusetzen. Im Sommer kann von
Durchschnittstemperaturen von ca. 15°C, und im Winter mit Temperaturen von ca. 0°C
ausgegangen werden.
Abbildung 4: Temperaturen und rel. Feuchte in Rosenheim, Madrid und Kuala Lumpur
Als zweiter Standort wird Madrid betrachtet. In Madrid muss besonders in den Sommer-
monaten mit wenig Niederschlag und Durchschnittstemperaturen von 24 °C gerechnet
werden. Auch in den Sommermonaten sind jedoch in der Nacht relativ kühle Temperatu-
ren zu erwarten, so dass auch passive Kühlkonzepte denkbar sind.
Kuala Lumpur in Malaysia ist als tropisches Klima im Gegensatz zu den anderen Standor-
ten betrachtet worden. Mit einer Jahresdurchschnittstemperatur von ca. 27°C und einem
jährlichen Niederschlag von 2419 mm, herrscht dort eine hohe Luftfeuchtigkeit. Für das
Gebäude stellt diese Umgebung eine völlig andere Anforderung im Bereich der Automati-
on und Klimatisierung dar.
Das Gebäude ist mit 2 Personen bewohnt. Sonstige Randbedingungen für den Verbrauch
sind aus den Wettkampfbedingungen entnommen.Forum Holz│Bau│Energie Köln 10
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Unter allen Klimabedingungen sollen folgende Komfortgrenzen gem. DIN EN 15251 [7]
eingehalten werden:
Simulationszeitraum - 1.10 bis 31.3: Temperaturbereich für die Heizung von 20 C° -
25 C° (Klasse II)
Simulationszeitraum – 1.4 - 30.9: Temperaturbereich für die Kühlung von 23 C° - 26
C° (Klasse II)
Max. 60 % rel. Feuchte (Klasse II)
Min.i 25 % rel. Feuchte (Klasse II)
3.2. Beispielhafte Simulationsergebnisse
Für den Standort Rosenheim wird exemplarisch der monatsweise Energiebedarf für Hei-
zung und Geräte in Abbildung 5 dargestellt. Aus der Jahresbetrachtung ergibt sich ein
Heizwärmebedarf von ca. 20 kWh/(m²a). Die Heizperiode reicht von November bis März.
Die minimale Raumtemperatur beträgt 20°C.
Als weiteres Beispiel soll in Abbildung 6 eine Energiebilanz für einen Tag für den Standort
Madrid dienen. Der außenliegende Sonnenschutz wird je Fassadenrichtung nach den Ein-
strahlwerten gesteuert. Für die internen Lasten und Geräte sind entsprechende Zeitprofi-
le hinerlegt. Aus einer solchen Energiebilanz kann z.B. der Tagesverlauf der nötigen Kühl-
leistung ermittelt werden und gleichzeitig die jeweilige Größe der Wärmelasten analysiert
werden. Somit ist eine gezielte Reduzierung der Kühlleistungen möglich.
kWh
450.
400.
350.
300.
250.
200.
150.
100.
50.
0.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Month
Abbildung 5: Monats-Energiebilanzen als Ergebnis der dynamischen Simulation für den Standort RosenheimForum Holz│Bau│Energie Köln 10
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Abbildung 6: Zeitaufgelöste Energiebilanz für einen Sommertag in Madrid. Werte größer 0 stellen Lasten dar,
Werte kleiner 0 sind Kühlleistungen, um die Raumtemperaturen im Behaglichkeitsband zu halten.
Als drittes Beispiel dient eine Darstellung des Raumklimas für den Standort Kuala Lumpur
in Abbildung 7. Aufgrund des Außenklimas wird ganzjährig eine aktive Kühlung nötig. Zu
klären ist dabei die Frage nach der Entfeuchtung der Außenluft, um die Raumluftfeuchte
in einem behaglichen Maß zu halten. Im berechneten Beispiel wird die Außenluft in der
Lüftungsanlage auf 16°C abgekühlt und damit je nach Taupunkttemperatur geringfügig
entfeuchtet. Die Raumtemperatur wird zwischen 23°C und 25°C gehalten. Der Außenluft-
volumenstrom beträgt im Wohnzimmer 60 m³/h. Die Raumluftfeuchte steigt bis auf 70%.
Eine zusätzliche Entfeuchtung wäre in diesem Fall sinnvoll.Forum Holz│Bau│Energie Köln 10
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0,8
0,7
Relative humidity
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0 100 200 300 400 500 600 700
Time in h
Abbildung 7: Raumluftfeuchte im Januar für den Standort Kuala Lumpur ohne aktive Entfeuchtung
4. Zusammefassung
Programme zur dynamischen Simulation von Gebäuden sind inzwischen als Planungstools
allgemein akzeptiert. Besonders bei stark dynamischen Vorgängen wie z.B. der sommer-
lichen Kühlung, zeigen diese deutlichen Vorteile gegenüber stationären Verfahren. Der
Zusatznutzen liegt außerdem z.B. in der Simulation des Raumklimas und Bewertung der
thermischen Behaglichkeit.
Am Beispiel des Solar Decathlon Gebäudes der Hochschule Rosenheim wurden mit Hilfe
von Gebäudesimulation die Jahresenergiebilanzen, Kühl- Heizlasten, Lüftungs- sowie Re-
gelungsstrategien simuliert und optimiert.
[1] Normenreihe DIN V 18599, Energetische Bewertung von Gebäuden – Berechnung des Nutz-, End- und
Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwarmwasser und Beleuchtung – , Beuth Verlag
[2] SDE Europe: www.sdeurope.org
[3] IDA ICE, Ver. 4, Equa Simulation AB
[4] PHPP 2007: Passivhaus Projektierungs Paket, W. Feist, R. Pfluger, B. Kaufmann, J. Schnieders, O. Kah,
Passivhaus Institut, 2010
[5] J. Maderspacher, H. Krause, to be published
[6] meteonorm 6.1, www.meteotest.ch
[7] DIN EN 15251:2007, Eingangsparameter für das Raumklima zur Auslegung und Bewertung der Energieef-
fizienz von Gebäuden, Beuth Verlag 2007Sie können auch lesen
