Einflussfaktoren auf die Kühllastberechnung
Eine Untersuchung für Bestandsgebäude
Am Beispiel eines rund 100 Jahre alten Verwaltungsgebäudes wird gezeigt, wie eine dynamische Kühllastberechnung eine exakte Voraussage der zu erwartenden Spitzenlasten ermöglicht. Darauf basierend kann dann eine individuelle RLT-Anlagentechnik installiert werden. Die Auslegung erfolgt mit zwei Versionen der VDI 2078. Die Ergebnisse werden miteinander verglichen.
Gebäude waren und sind immer auch ein Ausdruck der Zeit, in der sie erbaut wurden. Dabei bleibt das Gebäude oft sehr lange erhalten und erfährt im Laufe des Betriebs mehrfache Nutzungsänderungen. Dies gilt für alte Produktionshallen aus der Blütezeit des Bergbaus, wie sie im Ruhrgebiet zahlreich zu finden sind, genauso wie für Verwaltungsgebäude alteingesessener Firmen. Im Laufe der Jahrzehnte ändert sich die Nutzung, die Gebäudehülle bleibt jedoch meist im Original erhalten. Aufgabe der Technischen Gebäudeausrüstung ist es hierbei, das Raumklima für die Nutzer unter den geänderten Bedingungen behaglich zu gestalten und dabei die Aspekte der Energieeffizienz und Nachhaltigkeit nicht aus den Augen zu verlieren. Insbesondere die Kühlung der Gebäude im Sommer steht hierbei aufgrund der steigenden internen Lasten (z.B. durch EDV) und der solaren Gewinne durch große Glasfassaden im Vordergrund.
Mit Hilfe der Kühllastberechnung lassen sich die Raumtemperaturen sowie die notwendige Kühlleistung zur Sicherstellung der Raumsolltemperatur mit hoher zeitlicher Auflösung berechnen und vorhersagen. Die Schwierigkeit besteht dabei, die Gebäudehülle mit Wand- und Deckenaufbauten hinreichend genau zu beschreiben.
Ziel der dynamischen Kühllastberechnung ist eine genaue Voraussage der zu erwartenden Spitzenlasten und der Lastverteilung, um darauf abgestimmte, individuelle Lösungen für die Raumlufttechnik zu installieren. Damit können die Anlagen auf die maximale Last ausgelegt werden und während längerer Zeiten im oder nahe am optimalen energetischen Wirkungsgrad betrieben werden.
Am Beispiel eines Verwaltungsgebäudes aus dem Jahre 1920 wird das Vorgehen erläutert und über eine Variation der Einflussgrößen deren Auswirkungen aufgezeigt. Die Simulationen werden sowohl für die aktuelle Richtlinie (VDI 2078:2015-06) als auch deren Vorgängerrichtlinie (VDI 2078:1996-07), die fast 20 Jahre gültig war, durchgeführt und verglichen.
Die hier vorgestellten Ergebnisse stammen aus einer Masterarbeit, die in Kooperation mit dem Ingenieurbüro Canzler GmbH und der Westfälischen Hochschule Gelsenkirchen Bocholt Recklinghausen erstellt wurden.
Kühllastberechnung nach VDI 2078 im Wandel der Zeit
1972 wurden erstmals die VDI-Kühllastregeln erstellt, die heute in der VDI 2078:2015-06 in der aktuellen Form zur Verfügung stehen. Diese Richtlinie hat sich wie die Gebäudenutzung an die technischen Neuerungen angepasst und wird nun computergestützt mit repräsentativen Wetterdaten und zeitlich aufgelösten Simulationen genutzt. Dabei kann und muss die Gebäudehülle mit allen Schichtaufbauten der Wände und Böden in die Berechnung einfließen. Hier liegt der große Fortschritt gegenüber der Vorgängerrichtlinie aus dem Jahre 1996 (VDI 2078:1996-07), die nach fast 20 Jahren auch heute noch oft genutzt wird.
Die Richtlinie berücksichtigt dabei die inneren und äußeren Wärmequellen, die Bauweise genauso wie die Betriebsweise des Gebäudes und der RLT-Anlagen (Bild 1).
Die gesamte, trockene Kühllast bestehend aus inneren und äußeren Lasten ergibt sich damit zu:
Mit den inneren Lasten:
Kühllast durch Maschinen
Kühllast durch Beleuchtung
Kühllast durch Personen
Mit den äußeren Lasten:
Kühllast durch Stoffdurchsatz
Kühllast durch Außenwände und
Dächer (Transmission & Strahlung)
Kühllast durch Fenster
(Transmission & Strahlung)
Die einzelnen Simulationsschritte für die Berechnung sind in Bild 2 dargestellt.
Während der „Cooling Design Period“ wird das Einschwingverhalten des Gebäudes betrachtet. Im Gegensatz zur vorhergehenden Richtlinie sind die Temperaturzyklen nicht periodisch, sondern entsprechen den gewählten Wetterdaten aus dem Testreferenzjahr. Nach diesen 14 Tage folgt eine Anlaufberechnung über vier Tage, um dann den eigentlichen „Cooling Design Day“ zu berechnen. Somit muss eine richtlinienkonforme Berechnung mindestens 19 Tage berücksichtigen. Die Simulation selbst läuft innerhalb weniger Minuten ab, so dass typischerweise eine Berechnung für das gesamte Jahr (8760 h) durchgeführt wird.
Bei der Vorgängerrichtlinie von 1996 wurden noch periodische Tagesgänge vorgegeben, um einen eindeutigen Startzustand für die Speichermassen des Gebäudes zu erhalten.
Die Speichermasse des Gebäudes bzw. der einzelnen Räume wird grob eingeteilt in sehr leichte (XL) bis sehr schwere Bauweise (XS). Die VDI 2078:1996-07 hat diese Auswahl für den gesamten Raum einschließlich aller Umschließungsflächen vorgegeben; die aktuelle Kühllastberechnung sieht hingegen einen individuellen Wand- und Deckenaufbau des Raums vor.
Parameterstudie der Einflussgrößen für ein Verwaltungsgebäude aus dem Jahre 1920
Die Unterschiede bei der Berechnung der Kühllast nach der alten und aktuellen VDI 2078 sollen am Beispiel eines Verwaltungsgebäudes für ausgewählte Parameter gegenübergestellt werden. Hierzu wird zunächst das Gebäude und seine Nutzung erläutert. Daran anschließend werden die wesentlichen Variationsparameter in den Berechnungen vorgestellt.
Gebäudeaufbau
Im Rahmen einer Revitalisierung eines Verwaltungsgebäudes sollte mit Hilfe der Kühllastberechnung die maximale Kühlleistung für das Gebäude ermittelt werden.
Das Gebäude aus dem Jahre 1920 mit einer denkmalgeschützten Fassade besitzt vier Geschosse und ist unterkellert. Für die hier vorgestellte Kühllast-Simulation wird lediglich das zweite Obergeschoss betrachtet. Die Geschossfläche beträgt circa 3400 m² und wird als größtenteils offenes Großraumbüro mit einzelnen Besprechungsräumen und Einzelbüros genutzt.
Die Bilder 3 und 4 zeigen ein 3D-Modell des Gebäudes sowie die Nutzungseinheiten. Die Ausrichtung des Gebäudes ist nach Norden. Die einzelnen Raumflächen sind in Tabelle 1 aufgelistet.
Relevant für das Ergebnis der Simulation der Kühllastzonen ist die Verschattung, die im Laufe des Tages durch das Gebäude an der Nordwestseite erzeugt wird. Dies muss zwingend bei der Kühllast-Simulation beachtet werden und in die Gebäudedarstellung einfließen. Im 3-D-Modell ist zu erkennen, dass dieses Nebengebäude als eine Art „Quader“ nur zur Simulation der Verschattung in die Kühllast einfließt.
Die Klimatisierung des zweiten Obergeschosses erfolgt über zwei separate Lüftungsanlagen, die jeweils in den beiden Technikzentralen in der Etage positioniert sind.
Das Geschoss wir über die beiden RLT-Anlagen mit Außenluft versorgt, die auf tZUL= 20 °C konditioniert wird. Der Transmissionswärmeverlust im Heizfall wird über statische Heizflächen gedeckt.
Im Kühlfall wird die Zuluft für eine gleitende Raumtemperatur (22…26 °C) vorkonditioniert. Kaltwasser-Umluftkühlgeräte entziehen der Raumluft die anfallenden Kühllasten.
Parameterstudie
Für das oben beschriebene Referenzgebäude werden wiederholende Kühllastsimulationen mit unterschiedlichen Parametern durchgeführt. Hierbei werden sowohl Simulationen nach der aktuellen VDI 2078 von 2015, als auch nach der ehemaligen VDI 2078 von 1996 durchgeführt, um die gewählten Einflussgrößen vergleichen und bewerten zu können.
Als Software für die Simulationen wird das Programm „Plancal Nova 12.1“ des Herstellers Trimble genutzt. Hier wird das Gebäude zunächst dreidimensional erfasst, ein Bauteilkatalog erzeugt und alle Bauteile entsprechend zugeordnet. Das gleiche Gebäudemodell kann im Nachgang nach beiden VDI-Richtlinien simuliert werden.
Zunächst wird für alle Einflüsse und Einstellungen eine Referenzsimulation erstellt, die als Vergleichsgrundlage für alle weiteren Variationen dient. Bei den Simulationsvarianten werden unterschiedliche Fälle und deren Einflüsse auf das Gebäude untersucht.
Um die bauphysikalischen und nutzerspezifischen Einflüsse auf die Kühllast eines Gebäudes vergleichen und bewerten zu können, wird eine Vielzahl an Varianten definiert und simuliert. Diese lassen sich in drei Kategorien unterteilen, wie Tabelle 2 zeigt.
Bei den Variationsrechnungen wird jeweils nur ein Parameter geändert; alle anderen Einstellungen entsprechen den Referenzsimulationen. So lässt sich der Einfluss des gewählten Parameters einzeln quantifizieren.
Aus der Fülle der Ergebnisse werden hier drei Varianten exemplarisch vorgestellt und diskutiert:
Bauschwere der Decken und Böden,
Verschattung,
Beleuchtung (Leuchtmittel).
Die Ermittlung der Wand- und Deckenaufbauten im Bestand und ohne Unterlagen aus der Bauphase beinhaltet mögliche Abweichungen vom tatsächlichen Schichtaufbau der Bauteile. Daher wurden im Rahmen der Datenerfassung Untersuchungen vor Ort mit Erfahrungswerten von anderen Gebäuden mit vergleichbarem Baujahr herangezogen. Auf die Aussagekraft der Variationsrechnungen hat dies jedoch keinen Einfluss; lediglich die Absolutwerte für den IST-Zustand besitzen eine entsprechende Unschärfe.
Ergebnisse der Simulationen
Der folgende Abschnitt beschreibt die Durchführung der Simulationen. Zunächst wird der IST-Zustand des Gebäudes beschrieben und simuliert, danach folgen die Varianten.
Referenzsimulation
Für die Referenzsimulation des IST-Zustands werden in Tabelle 3 nur die wichtigsten Größen angegeben, die eine Parametervariation erfahren. Die detaillierte Beschreibung würde den Rahmen des Artikels sprengen, ohne dabei weitere Erkenntnisgewinne zu erzeugen.
Die in Tabelle 3 aufgeführten Angaben beziehen sich auf die Werte, die nach VDI 2078:2015-06 gefordert werden.
Die Raumtemperatur wird gleitend in Abhängigkeit der Außenlufttemperatur gefahren. Der SOLL-Wertverlauf ist in Bild 5 dargestellt.
Die Ergebnisse der Referenzsimulation nach der aktuellen und der alten VDI-Richtlinie sind in Tabelle 4 zusammengefasst.
Aus den Daten ist klar zu erkennen, dass das Großraumbüro aufgrund der hohen Personen- und Maschinenlasten den größten Anteil an der gesamten Kühllast hat. Allerdings sind die flächenbezogenen Lasten in den Einzelbüros deutlich größer. Dies ist auf die anteilig größeren Fensterflächen zurückzuführen.
Die flächenbezogenen Kühllasten liegen im Mittel bei 44 W/m² bzw. 52 W/m² und damit im Rahmen der Erwartungen, aber auch unterhalb der Erfahrungswerte des Planungsbüros von 60 bis 80 W/m².
Im Vergleich der beiden Richtlinien fällt auf, dass die Abweichung insgesamt bei 18 % liegt und in Einzelräumen bis zu 25 % nach oben abweicht. Die Simulationsergebnisse nach der alten Richtlinie sind für die meisten Räume also deutlich höher. Dieses Ergebnis ist erst einmal verblüffend, da beide Programmalgorithmen eine wetterdatenbasierte und dynamische Energiesimulation durchführen.
Die Analyse der Parametervariation wird im Folgenden weiteren Aufschluss über die Abweichungen geben.
Bauschwere
Die Ergebnisse der Referenzsimulationen legen nahe, dass die Speicherfähigkeit der Gebäudehülle einen großen Einfluss auf die maximale Kühllast hat.
An dieser Stelle ist es wichtig, die Unterschiede der beiden Kühllastregeln mit Bezug auf die Bauschwere zu berücksichtigen. VDI 2078:1996-07 sieht vor, dass alle Umschließungsflächen eine einheitliche Bauschwere (von XL bis XS) besitzen. Unterschiede der einzelnen Wände (z.B. Innenwand und Außenwand) oder alternative Deckenaufbauten können nur unzureichend im Rahmen einer Mittelung für den gesamten Raum berücksichtigt werden. Hier liegt der klare Vorteil der aktuellen Richtlinie, die einen schichtgenauen Aufbau der einzelnen Wände, Decken und Böden erlaubt bzw. fordert. Damit lassen sich beispielsweise Glasfassaden (Bauschwere L) mit verstärkten Betondecken (Bauschwere S) kombinieren und berechnen. Die Bauschwere verändert insbesondere das Speichervermögen des Gebäudes, so dass sich Temperatur- und Lastschwankungen von außen gedämpft und zeitlich verzögert auswirken. Dadurch besitzen Gebäude mit einer leichten Bauweise typischerweise eine höhere Kühllast als schwere Gebäude – eine Erkenntnis, die jeder erlebt, der im Hochsommer beispielsweise ein altes Gebäude oder eine Kirche (sehr schwere Bauweise) betritt.
Der Vergleich der unterschiedlichen Bauschweren für die Geschossdecken und -böden ist in Bild 6 dargestellt. Die Außenwände werden dabei in allen Fällen mit der Bauschwere S berücksichtigt.
Für die aktuelle Richtlinie ist die Abweichung zur Referenzsimulation für die Bauschwere „sehr schwer“ (XS) minimal (1 %), da dies den tatsächlichen Aufbau gut widerspiegelt. Im Gegensatz dazu führt eine Ausführung der Bauschwere „sehr leicht“ (XL) zu einer Steigerung der maximalen Kühllast von 39 %. Die Abweichung der VDI 2078:1996-07 liegt überall bei 0 %, da die Simulation keine Variation einzelner Umschließungsflächen zulässt.
Verschattung
Ein wesentlicher Faktor für die äußere Kühllast ist der Eintrag solarer Gewinne durch die Fenster. Hier hilft ein Verschattungssystem. Insbesondere von Vorteil ist eine außenliegende Verschattung, da diese zum einen die kurzwellige, solare Strahlung reflektiert und zum anderen die absorbierte Wärmestrahlung konvektiv nach außen abgibt. Eine innenliegende Verschattung würde die absorbierte Strahlungsenergie an die Raumluft abgeben und damit zusätzlich zur Aufheizung beitragen.
Außenliegende Verschattungseinrichtungen sind windanfällig und aufwändiger instandzuhalten. Daher werden sie hauptsächlich bei Gebäuden mit geringer Geschosszahl eingesetzt.
Die hier angesprochenen Überlegungen sind in Einklang mit den Ergebnissen aus den Simulationen in Bild 7.
Jede Form der außenliegenden Verschattung führt in beiden Fällen zu einer Reduktion der Kühllast um mehr als 30 %.
Innenliegende Lamellen führen zu einer erhöhten Kühllast, da zwar die kurzwelligen, solaren Einträge reduziert werden, der konvektive Wärmeeintrag durch die aufgeheizten Lamellen im Raum jedoch dominiert.
Beleuchtung
In Büroräumen muss eine vorgegebene Beleuchtungsstärke eingehalten werden. Die Beleuchtung hat dabei einen großen Einfluss auf die Kühllast Sie kann auch tagsüber bei hohen solaren Gewinnen durch Lampen auftreten, wenn die Verschattung aktiv ist.
Vereinfachend werden hier für die unterschiedlichen Beleuchtungssysteme flächenbezogene Wärmeströme angenommen, die abhängig vom Lampentyp variieren. Die Beleuchtungsstärke erfüllt die Werte für Büroarbeitsplätze mit 500 lux nach DIN EN 12464-1:2011-08.
Die flächenbezogene Wärmeleistung variiert hierbei von 4 W/m² mit LED-Technik bis zu 26 W/m² für eine herkömmliche Beleuchtung mit Leuchtstofflampen. Die Ergebnisse können nur für die aktuelle Richtlinie angegeben werden, da eine ebenfalls berücksichtigte Tageslichtsteuerung in der Version von 1996 noch nicht vorgesehen war (Bild 8).
Der Einsatz von hocheffizienten LED-Lampen trägt dazu bei, die Kühllast gering zu halten. Heute noch häufig vorkommenden Leuchtstofflampen führen zu einer Steigerung der Kühllast um bis zu 32 %. Der zusätzliche Aufwand zur Luftabsaugung bei älteren Abluftleuchten kann entfallen.
Zusammenfassung und Ausblick
Für ein denkmalgeschütztes Verwaltungsgebäude wurden die Kühllastberechnungen anhand der aktuellen und der vorherigen VDI-Kühllastregeln ermittelt und verglichen. Für ausgewählte Parameter wie die Bauschwere der Geschossdecken, Verschattungssysteme und Beleuchtung wurden die Parameter variiert und der Einfluss auf die maximale Kühllast analysiert.
Die Ergebnisse zeigen, dass die Bauschwere und die damit einhergehende Speicherfähigkeit einen großen Einfluss auf die Kühllast hat. Je schwerer ein Gebäude oder einzelne Bauelemente sind, desto geringer fällt die Kühllast aus.
Beim Sonnenschutz ist auf eine außenliegende Verschattung zu achten. Bei innenliegender Verschattung kann die Kühllast ansteigen, da die absorbierte Sonnenenergie konvektiv an den Raum abgegeben wird.
Bei der Beleuchtung ist auf eine energieeffiziente Lösung zu achten, die zum einen die Betriebskosten für Strom reduziert und zum anderen den Wärmeeintrag im Raum gering hält. Aus heutiger Sicht sind hier LED-Lampen zu empfehlen.
Der Vergleich der Ergebnisse für die alte und die aktuelle Richtlinie zur Kühllastberechnung zeigt, dass die bisherige Auslegung tendenziell zu einer höheren berechneten Kühllast führt. Mit Hilfe der aktualisierten Richtlinie können damit Anlagen zur Kälteerzeugung kleiner dimensioniert werden. Dies reduziert die Investitionskosten und sorgt für geringere Betriebskosten, da die Anlagen nicht mehr so häufig im unteren Teillastbetrieb gefahren werden müssen. Damit trägt die VDI 2078:2015-06 dazu bei, die Ökobilanz der Gebäude weiter zu verbessern und die gesetzlich geforderten Energieeinsparpotenziale (z.B. EU-Gebäuderichtlinie 2010/31/EU oder EnEV 2016) zu erreichen.
