Benutzer-Werkzeuge

Webseiten-Werkzeuge


grundlagen:sommerfall:planungstools_fuer_den_sommerfall_im_nichtwohngebaeude:aktive_kuehlung

Aktive Kühlung

Prolog: Der Heizfall

Dynamische Simulationen berechnen die thermischen Verhältnisse im Gebäude zeitschrittweise, meist mit Zeitschritten deutlich unter einer Stunde. Dabei werden Wärmetransportvorgänge in den Bauteilen und im Raum im Einzelnen abgebildet. Im Gegensatz dazu stehen Energiebilanzverfahren, wie z.B. das Jahres- und Monatsverfahren des PHPP oder auch der DIN V 18599, die über größere Zeiträume unter Zuhilfenahme des Energieerhaltungssatzes eine Wärmebilanz über eine definierte Bilanzgrenze berechnen. Von der Handhabung, Rechenzeit und Interpretierbarkeit weisen die Energiebilanzverfahren dabei bedeutende Vorteile auf, wobei die Ergebnisse für den Heizwärmebedarf für typische Wohn- und Nichtwohngebäude mit der dynamischen Simulation sehr gut übereinstimmen.

In den Energiebilanzverfahren werden Wärmegewinne und -verluste über eine festgelegte Bilanzgrenze separat erfasst und anschließend miteinander verrechnet. Dynamische Effekte werden dabei über einen rechnerischen Kunstgriff berücksichtigt, die Verwendung des sogenannten Nutzungsgrades für die freie Wärme im Gebäude. Das zu Grunde liegende Problem wird bei Betrachtung von Abbildung 1 deutlich: interne und solare Wärmegewinne können so groß werden, dass in bestimmten Phasen der Heizperiode keine Heizung mehr benötigt wird. Der über die Wärmeverluste hinausgehende Teil der Wärmegewinne führt dann dazu, dass die operativen Raumtemperaturen über den Sollwert (hier: 21°C) ansteigen. Die mittlere Raumtemperatur während der Bilanzperiode, die man eigentlich zur Ermittlung der Wärmeverluste benötigen würde, ist also nicht gleich der Solltemperatur und a priori gar nicht bekannt.

Abbildung 1: Zum Prinzip des Energiebilanzverfahrens im Heizfall:
Raumtemperaturen in einem Nichtwohngebäude in einer Januarwoche


Diese Schwierigkeit wird im Energiebilanzverfahren durch die Einführung des Nutzungsgrades gelöst: Nur ein Teil der internen und solaren Wärmegewinne wird tatsächlich für die Reduzierung des Heizwärmebedarfs wirksam. Entscheidend ist, dass dieser Anteil sich leicht mit hinreichender Genauigkeit aus dem Verhältnis von Wärmegewinnen zu -verlusten und aus der thermischen Trägheit des Gebäudes berechnen lässt. In Abbildung 2 ist diese Abhängigkeit dargestellt. Details zur Nutzungsgradermittlung sind in [Feist 1998a] zu finden.

Abbildung 2: Beispiel für Nutzungsgrad und Wärmegewinne in Abhängigkeit vom Gewinn-Verlust-Verhältnis.
In der linken Abbildung ist zusätzlich die theoretische Obergrenze für den Nutzungsgrad dargestellt.
Je nach Zeitkonstante des Gebäudes verlaufen die Kurven etwas anders.


Das PHPP verwendet im Monatsverfahren die Nutzungsgrade gemäß [EN 13790]. Für Wohngebäude sind die Erfahrungen mit diesem Rechenverfahren sowohl im Vergleich mit der dynamischen Gebäudesimulation (siehe z.B. [Feist 1998]) als auch in der direkten Bewährung bei bewohnten Gebäuden ausgezeichnet.

Zwei Beispiele sollen den Gültigkeitsbereich des Verfahrens näher beleuchten. Abbildung 3 zeigt den berechneten Heizwärmebedarf für einen Mittelraum des Simulationsmodells mit einseitigem Fenster und Dämmstandard EnEV, berechnet mit konstanten Innenbedingungen bei verschieden hohen internen Gewinnen und Fensterflächenanteilen. Die Berechnung wurde mit dem PHPP sowie, als Vergleichsnormal, mit dem dynamischen Modell in DYNBIL durchgeführt. Für den Fall ohne Fenster erkennt man für beliebige Werte der inneren Wärmequellen eine ausgezeichnete Übereinstimmung von Simulation und Energiebilanzverfahren. Erst bei größeren Fensterflächen und zusätzlich hohen internen Gewinnen laufen die Kurven spürbar auseinander.

Abbildung 3:
Vergleich des berechneten Heizwärmebedarfs nach Simulation und PHPP
für ein Mittelbüro im EnEV-Standard.


Vom Grundsatz her ähnlich sehen die Ergebnisse beim zweiten Fall aus, dem Passivhaus-Eckraum mit Fenstern in beiden Außenwänden (Abbildung 4). Bei fehlenden oder mäßigen Fensterflächen stimmen beide Rechenverfahren gut überein. Lediglich für den Fall der Vollverglasung decken sich die Ergebnisse nicht mehr gut, die Simulation liefert deutlich höhere Heizwärmebedarfswerte. Die Differenz ist am größten für niedrige interne Gewinne, hier beträgt sie knapp 5 kWh/(m²a). Ein Teil dieser Abweichung ist sicherlich darauf zurückzuführen, dass die solaren Gewinne bei dieser Konfiguration ca. 125 kWh/(m²a) betragen, wovon im Simulationsmodell 13 % zurückreflektiert werden, während im PHPP diese Art geometrischer Effekte nicht explizit berücksichtigt wird. Die Differenz im solaren Angebot beträgt also allein bereits mehr als 15 kWh/(m²a).

Abbildung 4:
Vergleich des berechneten Heizwärmebedarfs nach Simulation und PHPP
für ein Eckbüro im Passivhausstandard.


In Fällen mit einem solch hohen Wärmeangebot stoßen allerdings alle Berechnungsverfahren an Grenzen: Betrachtet man die sich einstellenden Raumtemperaturen für den Fall mit der größten Differenz (interne Wärmegewinne 1 W/m², Abbildung 5), so sieht man, dass sich bereits im Februar an sonnigen Tagen Temperaturen weit über 30°C einstellen können. Das würde von Seiten der Nutzer sicherlich nicht akzeptiert. Setzt man eine obere Grenze der Raumtemperatur von 25°C an, sei es durch aktive Kühlung oder durch Fensterlüftung erreicht, so wird ein Teil des Solarangebots unmittelbar wieder abgeführt, und es muss bereits früher wieder geheizt werden. Das würde den Heizwärmebedarf gegenüber der “naiven” Simulation ohne Temperaturbegrenzung nochmals um fast 5 kWh/(m²a) erhöhen. Die zugehörigen Punkte sind in Abbildung 4 ebenfalls dargestellt.

Abbildung 5:
Temperaturverlauf und Heizleistung für den vollverglasten Fall
mit niedrigen internen Wärmequellen aus Abbildung 4.

Dargestellt ist einmal der Standardfall,
in dem die Raumtemperaturen beliebig hoch ansteigen dürfen,
zum anderen ein Fall mit Begrenzung der Raumtemperatur auf 25 °C.


Wie das Beispiel zeigt, ist der Heizwärmebedarf für Gebäude mit derart hohen solaren Einträgen stets nur mit einer gewissen Unsicherheit zu ermitteln, die sich neben der Temperaturbegrenzung nach oben auch aus Unsicherheiten im Solarstrahlungsangebot (Rückreflexion bzw. Strahlungsdurchgang nach außen durch das zweite Fenster, Einfluss von verschattenden Elementen außerhalb des Gebäudes) ergibt. Eine solche Bauweise erscheint aufgrund der hohen Wärmeströme generell weniger empfehlenswert.

Insgesamt scheint im Energiebilanzverfahren bei hauptsächlich konstanter freier Wärme (d.h. die konstanten IWQ dominieren) der Nutzungsgrad eher etwas zu niedrig, bei zeitlich konzentrierter freier Wärme (d.h. die solaren Gewinne dominieren) eher etwas zu hoch berechnet zu werden. In typischen Fällen gleichen sich somit beide Einflüsse aus, und der Heizwärmebedarf nach PHPP stimmt gut mit der Simulation überein.

Nutzkältebedarf

Das Prinzip der Energiebilanzierung unter Verwendung eines Nutzungsgrades funktioniert nicht nur für die Heizung, sondern auch für die Kühlung. Im Sommer im mitteleuropäischen Klima treten an vielen Tagen sowohl Perioden mit als auch ohne Kühlbedarf auf. Abbildung 6 illustriert diese Situation.

Abbildung 6:
Zum Energiebilanzverfahren für den Nutzkältebedarf:
Raumtemperatur und Kühlleistung für eine Periode im April
in einem unverschatteten Nichtwohngebäude.


Analog zum Winterfall lässt sich auch hier eine Energiebilanz aufstellen, und zwar in gewisser Weise umgekehrt: Die Kühlung arbeitet gegen die solaren und internen Wärmelasten an, die Transmissions- und Lüftungsverluste (in Mitteleuropa ist es im Monatsmittel stets deutlich unter 25°C, Transmissions- oder Lüftungslasten gibt es also im Gegensatz zu heißeren Klimata nicht) unterstützen die Kühlung. Da auch Verluste auftreten, wenn nicht gekühlt werden muss, muss nun für die Verluste ein Nutzungsgrad bestimmt werden. Das erfolgt nach demselben Prinzip wie im Heizfall für die Wärmegewinne.

Im Gegensatz zum Winter spielen im Sommer die solaren Wärmegewinne durch Dach und Wand eine nennenswerte Rolle. Die Außenoberfläche eines dunklen Daches kann unter Sonneneinstrahlung leicht 70°C erreichen. Je nach Wärmeschutzniveau gelangt ein größerer oder kleinerer Anteil der dort absorbierten Solarenergie in den Raum, der g-Wert ungedämmter Bauteile kann durchaus 10 % betragen. Die Strahlungsgewinne und -verluste der Außenoberflächen müssen also im Sommer in der Energiebilanz berücksichtigt werden. Im PHPP ist das der Fall.

Eine weitere wichtige Einflussgröße ist eine zusätzliche Lüftung während des Sommers. In Passivhaus-Wohngebäuden ohne aktive Kühlung könnten die sommerlichen Temperaturen ohne Weiteres 40°C erreichen, wenn nicht, wie es in der Praxis stets geschieht, durch Öffnen der Fenster überschüssige Wärme abgelüftet würde. Auch die Wärmeabfuhr durch eine solche Sommerlüftung wird im PHPP berücksichtigt.

Das Energiebilanzverfahren zur Ermittlung des Nutzkältebedarfs funktioniert insgesamt gesehen sehr gut. Vergleichsrechnungen zwischen dynamischer Simulation und PHPP für Wohngebäude in verschiedensten Klimata, mit und ohne Sommerlüftung, für leichte und schwere Bauweise zeigten gute Übereinstimmung.

Abbildung 7:
Vergleich des berechneten Nutzkältebedarfs nach Simulation und PHPP
für ein Mittelbüro im EnEV-Standard.


Abbildung 8:
Vergleich des berechneten Nutzkältebedarfs nach Simulation und PHPP
für ein Eckbüro im Passivhausstandard.


Wie Abbildung 7 und Abbildung 8 zeigen, ist das auch für Nichtwohngebäude der Fall. Beim Dämmstandard nach EnEV oder Passivhaus, verschiedenen internen Wärmelasten und Fensterflächenanteilen zwischen 0 und 100 % sind die Unterschiede zwischen Simulation und Energiebilanzverfahren im Bereich weniger Prozent. Die größten Differenzen entstehen wie im Winterfall für das vollverglaste Eckbüro. Erneut kann in diesem Fall zumindest ein Teil der Abweichung der im PHPP nicht berücksichtigten Rückreflexion zugeschrieben werden.

In Abbildung 8 wurde bereits eine Büronutzung, d.h. zeitlich variable interne Wärmelasten, angenommen. Die Grenzen des Verfahrens sind am ehesten dort zu erwarten, wo die zeitliche Variabilität der Nutzung höher wird, ggf. schwankende Temperaturanforderungen hinzukommen und die durchschnittlichen Lasten groß werden.

Zusätzlich wurde daher eine Seminarnutzung nach Abbildung 9 betrachtet. Montags bis freitags nachmittags, während der höchsten Außentemperaturen, liegen interne Wärmelasten von 25 W/m² vor, was mittleren internen Lasten von 3 W/m² entspricht. Nur während dieser Zeiten gibt es eine Temperaturanforderung, außerhalb der Nutzungszeiten kann sich die Temperatur im Raum frei einstellen. Die Fensterflächen sind vernünftig dimensioniert, durch massive Sommerlüftung mit einem Luftwechsel von 5 h-1 wird die aktive Kühlung unterstützt.

Abbildung 9:
Temperaturverlauf bei Seminarnutzung
mit starker Nachtlüftung und zugehörige Kühlleistung


Wie man in Abbildung 10 sieht, funktioniert das Energiebilanzverfahren auch in einer solchen Situation noch ausgezeichnet. Das ist insofern erstaunlich, als die Information über die zeitliche Verteilung der internen Lasten im PHPP gar nicht zur Verfügung steht.

Die Grenzen des Verfahrens werden erreicht, wenn die internen Lasten nochmals um einen Faktor 3 erhöht werden – das ist bei dicht belegten Räumen nicht völlig unrealistisch. Nun laufen die Ergebnisse auseinander. Bei derart stark schwankenden Lasten wird auch der Effekt der Sommerlüftung nicht mehr exakt abgebildet.

Abbildung 10:
Vergleich des berechneten Nutzkältebedarfs nach Simulation und PHPP
für einen Mittelraum mit Seminarnutzung im Passivhausstandard.


Kühllast

Die übliche Kühllastberechnung nach den VDI-Kühllastregeln (VDI 2078) berücksichtigt Stundenwerte und wird für zwei Tage mit unterschiedlich hohem Sonnenstand durchgeführt. Im PHPP ist ein wesentlich einfacheres Verfahren implementiert, das speziell auf Passivhäuser ausgerichtet ist. Hier wird vorausgesetzt, dass im Passivhaus auch die sommerlichen Wärmelasten minimiert werden, bevor eine aktive Kühlung zum Einsatz kommt, beispielsweise durch einen wirksamen temporären Sonnenschutz. Dann, so die Grundannahme, können die im Laufe eines Tages anfallenden Wärmelasten in der Gebäudemasse gepuffert werden, so dass eine Betrachtung von Tagesmittelwerten der Kühllast ausreicht.

Die Randbedingungen des PHPP-Verfahrens werden dabei aus einem Testreferenzjahr ermittelt: Die höchste auftretende Tagesmitteltemperatur wird kombiniert mit dem höchsten Wert der Solarstrahlung der 30 wärmsten Tage. Hinzu kommt ein Sicherheitszuschlag von 1 W/m² für die internen Wärmequellen.

Dieses Verfahren überschätzt bei Passivhaus-Wohngebäuden die mittels dynamischer Simulation berechneten tagesmittleren Kühllasten typischerweise um 2 bis 3 W/m², da zum einen der Auslegungstag für ein typisches Jahr eher pessimistisch gewählt ist, zum anderen kapazitive Effekte vernachlässigt werden, die vor allem bei kleinen Kühllasten und schweren Gebäuden eine Rolle spielen können (die Wärmelasten des Kühllasttages treten ja nur an diesem einen Tag auf, so dass auch die Gebäudemasse einen Teil dieser Lasten aufnehmen kann).

Abbildung 11 bis Abbildung 13 zeigen beispielhaft für Nichtwohngebäude die tages- und stundenmittlere Kühllast nach dynamischer Simulation sowie den Tagesmittelwert nach PHPP in Abhängigkeit von den internen Wärmelasten und der Fensterfläche. Wie erwähnt, wurde in den hier durchgeführten Berechnungen absichtlich keine bewegliche Verschattung angenommen, daraus resultieren die teilweise sehr großen Kühllasten. Die internen Wärmegewinne werden konstant angesetzt.

Grundsätzlich sind die oben für Wohngebäude beschriebenen Verhältnisse auch hier wiederzufinden. Wie nicht anders zu erwarten, liegt die stundenmittlere Kühllast gewöhnlich deutlich über dem Tagesmittelwert, typisch ist ein Faktor 2. Die tagesmittleren Kühllasten werden durch das PHPP-Verfahren systematisch überschätzt, wobei der Betrag nicht von der Höhe der internen Wärmegewinne abhängt. Eine deutliche Abhängigkeit der Differenz gibt es bezüglich der Fensterfläche (vgl. Abbildung 14): bei größeren Fenstern sind auch die Unterschiede zwischen Simulation und PHPP größer. Das dürfte auf die genannten Vereinfachungen im Rechenverfahren zurückzuführen sein. Diese Abhängigkeit ist grundsätzlich nicht unbedingt unerwünscht: Größere Fensterflächen führen zu größeren Schwankungen in den solaren Lasten, dadurch stößt auch die tageszeitliche Pufferung früher an ihre Grenzen. Gibt es keine bzw. gut verschattete Fenster, können sogar die stundenmittleren Kühllasten nach Simulation kleiner als die mit dem PHPP ermittelten Tagesmittelwerte sein (vgl. Abbildung 11 für kleine interne Wärmegewinne). Hier macht sich die Vernachlässigung der Wärmekapazität im PHPP besonders bemerkbar.

Inwieweit die im Verfahren enthaltenen Sicherheiten auch extreme Wetterverhältnisse abdecken, wurde anhand des Extremsommers aus den deutschen Testreferenzjahren [DWD 2004] untersucht. Die per dynamischer Simulation errechneten Ergebnisse sind ebenfalls in Abbildung 14 dargestellt. Man sieht, dass die Kühllasten im Extremsommer kaum größer ausfallen; Unterschiede gibt es vor allem bei kleinen Fensterflächen. Die Kühllast wird demnach primär durch die Solarstrahlung bestimmt, nicht durch die Außentemperaturen. Die im PHPP ermittelten tagesmittleren Kühllasten liegen nicht nur deutlich über den für das Standardjahr per Simulation ermittelten, sondern fast ebenso deutlich über denjenigen für das Extremjahr.

Das Kühllastverfahren des PHPP ist diesen Ergebnissen zufolge gut für Gebäude mit minimierten Lasten, d.h. gutem Sonnenschutz und entweder kleinen oder zeitlich gleichmäßig verteilten internen Wärmelasten, geeignet. In diesen Fällen bietet es ausreichende Sicherheiten, die auch einen Teil der im Tagesverlauf entstehenden Temperaturschwankungen noch ausgleichen können. Sind die Lasten so groß, dass eine tageszeitliche Pufferung nicht mehr möglich ist, müssen Verfahren mit höherer Zeitauflösung herangezogen werden.

Abbildung 11:
Kühllast als Funktion der internen Wärmelast nach verschiedenen Rechenverfahren
– ohne Fenster


Abbildung 12:
Kühllast als Funktion der internen Wärmelast nach verschiedenen Rechenverfahren
– Bandfassade


Abbildung 13:
Kühllast als Funktion der internen Wärmelast nach verschiedenen Rechenverfahren
– vollverglaste Fassade


Abbildung 14:
Tagesmittel der Kühllast als Funktion der internen Wärmelast
nach verschiedenen Rechenverfahren.

Hier sind die Tagesmittelwerte aus Abbildung 11 bis 13 zusammengefasst
und um die Simulationsergebnisse für den Extremsommer ergänzt.


Siehe auch

Vorhergehender Abschnitt

Nachfolgender Abschnitt

grundlagen/sommerfall/planungstools_fuer_den_sommerfall_im_nichtwohngebaeude/aktive_kuehlung.txt · Zuletzt geändert: 2018/10/16 09:55 von cblagojevic