Simulation von Gebäuden und Anlagen
Aussagen über die Energieeffizienz eines Gebäudes treffen
Köln (ABZ). – Die Simulation von Gebäude und Anlagentechnik ermöglicht Aussagen über die Energieeffizienz eines Gebäudes, die über die Erfüllung der gesetzlichen Anforderungen hinausgehen. Mit wenigen zusätzlichen Eingaben erhält man eine detailliertere Betrachtung sowie eine kosteneffiziente Optimierung der Anlagentechnik und des Gebäudes. Die normative Berechnung von Gebäuden und Anlagentechnik ist für eine Abschätzung des Energiebedarfs und die Erfüllung gesetzlicher Anforderungen notwendig. Die Normen zur Bestimmung von Gebäudeeigenschaften wie etwa dem Energiebedarf werden immer komplexer, da sich die Gebäudetechnik in den vergangenen Jahren immens weiter entwickelt hat und immer neue Technologien und deren Wechselwirkungen untereinander und mit dem Gebäude immer genauer in Betracht gezogen werden müssen. Mit zunehmender Rechnerleistung und damit abnehmenden Simulationszeiten ist auch in der Normierung ein Trend zu detaillierter Simulation gegenüber überschlägigen Monatsberechnungen zu beobachten. So ist zur Berechnung des sommerlichen Wärmeschutzes nach DIN 4108-2 die dynamische Simulation nach VDI 6007 ausdrücklich erlaubt und für die Berechnung der Kühllast nach VDI 2078 ist diese Simulation sogar das Standardverfahren. Für die Zukunft ist zu erwarten, dass immer mehr Normen die energetische Simulation zulassen oder sogar vorschreiben.
Selbst ohne eine Pflicht zur Simulation ist sie aber in vielen Fällen empfehlenswert, denn eine zusätzliche Simulation des Gebäudes liefert detailliertere Ergebnisse, u. a. den Energiebedarf für Heizung bzw. Kühlung, mit hoher zeitlicher Auflösung, z. B. stundenweise. Eine mit der Gebäudesimulation gekoppelte Anlagensimulation zeigt zusätzlich vielfältige Ergebnisse, wie z. B. die von der Anlage gelieferte Energie, die Temperaturen etwaiger Speicher oder die COPs von Wärmepumpen, sowie die Auswirkung baulicher Veränderungen auf die Anlagentechnik. Mittlerweile gibt es einige Simulationsprogramme am Markt, Hottgenroth-Software/ETU hat letztes Jahr z. B. die ETU-Simulation, eine gekoppelte Anlagen und Gebäudesimulation herausgebracht.
Dabei werden die dynamischen Faktoren des Gebäudebetriebs (Wetterbedingungen, Regelung, Raumnutzung, Bauteilspeicherung, u. a.) berücksichtigt. Auch interne Gewinne durch z. B. Personen, Beleuchtung und Geräte werden berücksichtigt. Typischerweise werden dazu Räume mit gleichen Nutzungsbedingungen und Heizgrenztemperaturen zu Zonen zusammengefasst, ähnlich wie bei der Berechnung nach DIN V 18599 für Nichtwohngebäude. Diesen Zonen werden Nutzungsprofile zugewiesen. In der ETU-Simulation kann dabei auf eine Vielzahl von Standardnutzungsprofilen zugegriffen werden, es können aber auch eigene Profile angelegt und bearbeitet werden. Im Programm Energieberater 18599 eingegebene Profile können z. T. übernommen und nach Bedarf weiter spezifiziert werden.
Der so stundenweise berechnete Energiebedarf dient als Grundlage zur Auslegung der Anlagentechnik des Gebäudes. Dabei kann auf eine Vielzahl vorkonfigurierter Schemata zur hydraulischen Verschaltung der Anlagen sowie auf mathematische modellierte moderner Technologien wie Absorptionskältemaschinen zur solaren Kühlung, aber auch auf Standardtechnologien zurückgegriffen werden. Ferner können PV-Anlagen sowie Batteriespeicher mit ausgelegt und berücksichtigt werden. Anschließend wird die Anlage zusammen mit dem Gebäude simuliert.
Besonders bei der Auslegung von Heiz- und Kühlsystemen werden bei den normativen Verfahren häufig Extrembedingungen angenommen, um eine mögliche Unterdimensionierung der Systeme zu vermeiden. Dadurch sind diese in der Praxis aber häufig überdimensioniert. Durch die Kopplung der Anlagensimulation mit der Gebäudesimulation können auch die Auswirkungen einer Unter- oder Überdimensionierung beobachtet werden. So kann mit der ETU-Simulation genau evaluiert werden, wie sich Veränderungen der Anlagentechnik, der Gebäudehülle oder des Nutzerverhaltens gegenseitig beeinflussen.
Besonders interessant bei der Anlagensimulation ist dabei die Möglichkeit, den Energiebedarf sowie die erzeugten Energiemengen einschließlich der sich ergebenden Verbräuche zeitlich aufgelöst zu simulieren und dadurch auch komplexe Wechselwirkungen darzustellen. Ein Paradebeispiel dafür ist das Zusammenspiel von Wärmepumpen und PV-Anlagen. Hier kann man u. a. genau sehen, welcher Teil des PV-Stroms für die Wärmepumpe verwendet wird.
Dadurch liefert die ETU-Simulation eine schnelle Antwort auf Was-wäre-wenn Fragen des Kunden, da sowohl das Gebäude als auch die Anlagenkonfiguration in kürzester Zeit geändert werden kann. So kann z. B. gezeigt werden, wie sich der Einbau einer Batterie für PV-Strom auf den Eigenverbrauch und die Wirtschaftlichkeit des Systems auswirkt, oder wie der Einbau von Markisen oder einer Lüftungsanlage die sommerlichen Temperaturen beeinflussen. Auch die Lebenszykluskosten können mit der Software so evaluiert werden, mit einem grafischen Vergleich von Kapital- und Verbrauchskosten.
Technisch erfolgt die Simulation des Gebäudes in der ETU-Simulation auf stündlicher Basis, da durch die Trägheit des Gebäudes Änderungen typischerweise sehr langsam erfolgen. Dazu wird die stundenweise Berechnung nach dem 2-K Modell der VDI 6007 verwendet, bei der jeweils die Außen- und Innenwände der einzelnen Räume zusammengefasst werden. Damit wird dann auf Grundlage der Nutzungsprofile, der Außentemperaturen sowie der Sonnenstrahlung der Energiebedarf der einzelnen Räume berechnet. Da die Anlagen wesentlich schneller reagieren als das Gebäude, werden diese mindestens auf minütlicher Basis berechnet. Dabei liegt der vom Gebäude berechnete Bedarf der jeweiligen Stunde zu Grunde. Am Ende jeder simulierten Stunde wird dann die Reaktion des Gebäudes auf die von den Anlagen gelieferte Energie simuliert, und der Energiebedarf für die nächste Stunde berechnet.
Die Simulation wird typischerweise als sehr komplex und aufwendig angesehen. Das stimmt allerdings so nur sehr bedingt, da sehr viele der für eine Simulation notwendigen Eingaben auch für normative Berechnungen, z. B. für die Erstellung eines Energieausweises nach DIN V 18599 oder DIN 4108-6 und 4701-10/12, oder für eine Heizlastberechnung nach DIN 12831 erforderlich sind. Wenn ein Projekt mit einem 3D-Gebäudemodell (HottCAD-Erfassung) erst einmal vorliegt, z. B. aus den Programmen Energieberater oder TGA, können die Angaben nahtlos übernommen werden. Dadurch hält sich der Aufwand der Eingaben sehr in Grenzen. Es ist auch möglich, eine IFC-Datei in HottCAD einzulesen oder über eine Schnittstelle (Revit oder Allplan) das Gebäude zu importieren. Dies entspricht dem BIM Gedanken, d. h. ein digitales Modell wird mit immer mehr Informationen angereichert, um eine Berechnung verschiedener Gewerke zu ermöglichen und Redundanzen bei der Eingabe weitgehend abzubauen. Die dadurch erzielte Durchgängigkeit ermöglicht den Nutzern eine hohe Effizienz während der Bearbeitung.
Die stündlichen Ergebnisse eignen sich auch besonders gut für eine Wirtschaftlichkeitsberechnung. Da der Strombedarf stündlich aufgelöst wird, können auch zeitlich variierende Stromtarife berücksichtigt werden. Außerdem kann z. B. der Eigenverbrauch einer PV-Anlage oder eines BHKWs detailliert betrachtet werden. Daraus können dann viele relevante Kennzahlen, wie die Amortisationszeit, sowie Annuitäten und Endwerte etc. berechnet werden. So können schnell verschiedene Konfigurationen der Anlage und des Gebäudes durchgespielt werden, um den Bedürfnissen des Kunden gerecht zu werden. Des Weiteren kann auch eine Risikoanalyse durchgeführt werden, für den Fall dass sich angenommene Parameter, wie z. B. Teuerungsraten oder Wartungskosten nicht wie erwartet verhalten.
Ein weiterer Vorteil der Simulation gegenüber der statischen, normativen Berechnung ist, dass letztere typischerweise viele landesspezifische Annahmen beinhalten, die ihre Verallgemeinerung stark einschränken. Daher können sie normalerweise nur im von der Norm vorgegebenen Land angewandt werden. Die auf physikalischen Gesetzen basierende Simulation dagegen kann weltweit eingesetzt werden. Dazu müssen nur die Klimadaten eines anderen Standorts verwendet werden. Hottgenroth Software bietet weltweite Klimadatensätze für die Verwendung in den Simulationsprogrammen an. So kann z. B. das Verhalten eines Gebäudes in Deutschland direkt mit dem gleichen Gebäude in einem anderen Land verglichen werden.
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