Was ist eine energetisch dynamische Gebäudesimulation?
Die energetisch dynamische Gebäudesimulation ist die Bilanzierung aller relevanten Energieflüsse eines Gebäudes zu ausgewählten Zeitpunkten. Bilanziert werden besonders die Transmissionswärmeströme, die Enthalpieströme, die Veränderung der inneren Energie durch Speicherprozesse und auch elektrische Leistungen. Die Bilanzierung erfolgt in der Regel über festgelegte Zeitschritte, häufig im Abstand von 1 h über einen bestimmten Zeitraum, zumeist einem ganzen Jahr oder auch nur über den Zeitraum der Heiz- oder Kühlperiode.
Dazu wird das zu berechnende Objekt, wie zum Beispiel ein Gebäude in Zonen unterteilt. Für diese Zonen, z.B. einzelne Räume kann dann jeweils eine Energie-, ggf. auch Massenbilanz aufgestellt werden. Stehen Zonen, Räume oder die Haustechnik in Interaktion entsteht auf diese Weise ein Gleichungssystem, das die Simulation numerisch zu lösen hat. Anders als bei der Strömungssimulation, welche sich der räumlichen Diskretisierung bedient, benötigt die energetische Gebäudesimulation lediglich exakt definierte Zonen. Man spricht deswegen auch gerne von der Methode der Zonenbilanzierung.
Unterteilung einer Aufgabe in einzelne Zonen mit Interaktion zueinander
Die zeitliche Auflösung durch definierte Zeitschritte muss dabei dem physikalischen Prozess genügen. In der Gebäudetechnik ist die wesentliche Einflussgröße das Wetter. Um das Wetter möglichst exakt in einer Simulation berücksichtigen zu können, bedient man sich zumeist sogenannter Jahrestestreferenzdaten (TRY – Test Reference Year), welche die wichtigsten gemittelten Wetterdaten, wie beispielsweise Lufttemperatur, Wind, Feuchte und Sonnenstrahlung aus den zurückliegenden Aufzeichnungen vergangener Jahre beinhalten und in einer zeitlichen Auflösung von 1 h für unterschiedliche Regionen bereitstellen.
Während die Verwendung gemittelter Wetterdaten ein möglichst exaktes Ergebnis bzgl. zu erwartender Energieströme und damit der Energieeffizienz ermöglicht, greift man zur Auslegung der Haustechnik gerne auf extreme Klimajahre zurück. Auf diese Weise kann die Dimensionierung der Haustechnik ohne übliche Sicherheitsaufschläge und damit ohne deutliche Überdimensionierung erfolgen.
Übliche Bedarfsprognosen, der auf vereinfachten Regularien basierenden Energieausweise, sind in ihrer Genauigkeit eingeschränkt. Besonders deutlich wird das am nachfolgendem Beispiel, welches für ein ausgewähltes Zweischeibenisolationsfenster den Wärmedurchgangskoeffizienten und damit die Transmissionsverluste in Abhängigkeit der Windverhältnisse darstellt. Es wird deutlich, dass je nach anliegenden Windgeschwindigkeiten sehr unterschiedliche Wärmeströme das Fenster passieren und damit zu deutlich unterschiedlichen Wärme- und Kältelasten beitragen. Dies ist besonders bei gering opaken Gebäuden bedeutsam .
Beispiel für den dynamischen Einfluss des Wetters
Wann ist die Gebäudesimulation sinnvoll?
Im Gegensatz zur klassisch analytischen Heiz- und Kühllastberechnung ist die Gebäudesimulation aufgrund der zu berücksichtigenden Detailtiefe zumeist deutlich aufwendiger. Ihr Einsatz rentiert sich daher vor allem bei größeren Objekten oder bei Gebäuden der Serienproduktion. Ein wesentlicher Nutzen ist die Reduzierung des planerischen Risikos gerade bei neuen oder innovativen Gebäudekonzepten.
o Reduzierung des planerischen Risikos
Eine verhältnismäßig häufig auftretende Fehlplanung moderner gering opaker Gebäude ist die Unterschätzung der Kühllast in warmen sonnenreichen Sommermonaten. Die qualitativ hochwertige Simulation liefert je Zeitschritt eine Vielzahl physikalischer Ergebnisse wie beispielsweise die Raumluft- und gefühlte Temperatur. Die Berechnung der Raumtemperatur zeigt frühzeitig auf, inwieweit Heiz- und Kühllastspitzen zu erwarten sind.
Über die Analyse der Häufigkeit der auftretenden Kühl- und Heizlasten können nicht nur die Größen der Wärme- und Kälteerzeuger abgestimmt, sondern vielmehr deren Größe zueinander in Abhängigkeit einer möglichst hohen Grund- und kleinen Spitzenlastdeckung dimensioniert werden.
Diese Vorgehensweise gestattet die Investitionen in den Erzeugerpark und/ oder die Effizienz der Erzeuger in Abhängigkeit deren zu erwartender Auslastung zu gestalten.
o Ökonomische und ökologische Optimierung des Kälte- und Wärmeerzeugerparks
Dämmen gehört heute zum Standard im Neubau. In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass die zunehmende Dämmstärke keine gleiche proportionale Zunahme der Energieeinsparungen zur Folge hat. Die nachfolgende Abbildung zeigt exemplarisch den degressiven Verlauf der Transmissionseinsparungen über die Zunahme der Dämmstärke auf.
Beispiel für den Einfluss der Dämmstärke
Die Stärke der Dämmung und ihr Einfluss auf die Energiekosten kann im Rahmen verordnungsrechtlicher Anforderungen mit dem Anteil erneuerbarer Energiebereitstellung variiert und optimiert werden.
o Ökonomische und ökologische Optimierung der Wärmedämmung
Häufige Schwachstelle moderner Gebäude ist eine unzureichende Lüftung in Bezug auf erreichte Luftdichtigkeiten im Neubau. In vielen Fällen wird die verordnungsrechtlich geforderte Luftdichtigkeit überschritten. Die Folge ist eine verminderte Luftqualität in der Wohnungseinheit.
Die Gebäudesimulation erlaubt die Variation und Optimierung des freien wie auch ventilatorgestützten Luftwechsels und der dazu notwendigen Maßnahmen zur Kompensation der Luftwechselenthalpieverluste. Luftqualitäten unter Berücksichtigung der Belegungsfunktion, bedarfsgeführte Lüftungsstrategien und der Einfluss der Wärmerückgewinnungseffizienzen können quantifiziert und bewertet werden.
o Bewertung zu erwartender Raumluftqualitäten unter ökonomischen Gesichtspunkten
Die Effizienz einzelner Wärme- und Kälteerzeuger ist je nach Art und Einsatz deutlich unterschiedlich. Deren Bewertung im klimarechtlichen Sinne über die Höhe der zugehörigen Primärenergiefaktoren verkompliziert dies noch. So ist die Luft/ Wasserwärmepumpe im Vergleich zu einer Wasser/ Wasserwärmepumpe in den Gesamtinvestitionskosten bis zur Inbetriebnahme deutlich günstiger, anderseits je nach Außentemperaturen und Art des Heizungssystems zum Wärmeeintrag deutlich weniger effizient. Die Gebäudesimulation kann solche Korrelationen, wie den Bedarf, die betriebsabhängige Effizienz und damit die Betriebskosten zu den Investitionskosten ins Verhältnis setzen und hilft damit zur Entscheidungsfindung im Planungsprozess.
Welchen Nutzen zieht man aus der Gebäudesimulation?
Der sicherlich größte Nutzen der Gebäudesimulation ist bei neuartigen Gebäudekonzepten, für welche nur unzureichende Betriebserfahrungen vorliegen, die Reduzierung planerischer Risiken. Nachträgliche Korrekturen, wie beispielsweise zusätzliche Kälteerzeuger und deren notwendige Wärmeübertrager zur Vermeidung der sommerlichen Überhitzung der Gebäude sind oft mit erheblichen Kosten verbunden.
Die bauphysikalische Optimierung, insbesondere bei instationären Prozessen wie der Energiespeicherung über die Bauteilaktivierung oder angepasster Speichersysteme ist ohne Einsatz der Gebäudesimulation kaum zu leisten.
Die Beziehung zwischen Gebäudestandards, wie Energieeffizienz, Behaglichkeit und Raumluftqualität und den dafür zu leistenden Aufwendungen, wie Investitionen und Betriebskosten können mit Einsatz der Gebäudesimulation sicher und genau bewertet werden.
Die Auswahl, die Dimensionierung und Priorisierung einzelner Erzeuger im Betrieb des Erzeugerparks für die Kälte- und Wärmebereitstellung kann durch Verwendung der Gebäudesimulation unter Berücksichtigung von Grund- und Spitzenlast in Abhängigkeit vorgegebener Planungsdirektiven, wie Investitions- oder Effizienzoptimierung, genaustens geleistet werden.
Innovative Gebäudekonzepte, zunehmende Konzepte der Vernetzung der Haustechnik oder die Standortwahl sind unter Zuhilfenahme der Gebäudesimulation quantitativ zu analysieren und damit leicht zu bewerten.
Die Gebäudesimulation lohnt sich stets zur Reduktion des Risikos, vor allem bei größeren Objekten und beim Beschreiten neuer innovativer Wege. Für große Objekte rentiert sich die Gebäudesimulation bereits durch die exaktere Auswahl der Haustechnik und der damit verbundenen reduzierten Investitionskosten.
Durch Energieausweise ist heute der Gebäudestandard einfach zu bewerten. Hohe Gebäudestandards verringern die Energiekosten und die Attraktivität zur Nutzung durch erhöhte Lebensqualität der Bewohner. Dies erhöht gleichfalls die Attraktivität und damit den Wert der Immobilie nachhaltig.