12. März 2021

Teil 1: Historie und Methoden der VDI-Richtlinie 2078

Die Verfahren der Kühllastberechnung haben sich über Jahrzehnte stetig weiterentwickelt. Die zweiteilige Artikelserie zeigt hier zunächst die Entwicklung der Verfahren zur Kühllastberechnung nach VDI-Richtlinie 2078 auf. Zudem werden die Unterschiede der einzelnen Methoden anhand eines Beispielprojekts gegenübergestellt.

Die Berechnung der Kühllast erfolgt in Deutschland überwiegend nach der VDI-Richtlinie 2078. Die Erstausgabe ist bereits im Jahr 1972 erschienen und führte das Handverfahren, später auch als Kurzverfahren bezeichnet, ein (Bild 1). Das Verfahren blieb fast 20 Jahre unverändert, bis im Jahr 1994 eine Überarbeitung der Norm erschien. Für die Version von 1994 wurden die Wetterdaten und andere Randbedingungen überarbeitet sowie das EDV-Verfahren als zweites Berechnungsverfahren eingeführt, um den Anwendungsbereich z. B. durch variablen Sonnenschutz zu erweitern. Beide Verfahren sind so aufeinander abgestimmt, dass bei gleichen Randbedingungen gleiche Kühllasten berechnet werden. Das Kurzverfahren und das EDV-Verfahren wurden 2015 von dem 2-Kapazitäten-Modell als Berechnungsgrundlage für die Kühllast abgelöst. Das 2-Kapazitäten-Modell bildet die Wärmetransportvorgänge im Raum ab. Dazu wird das dynamische Verhalten der verwendeten Bauteile hinsichtlich thermischer Speicherung und Strahlungsaustausch berücksichtigt. Darüber hinaus entfallen bei der dynamischen Berechnung mit dem 2-Kapazitäten-Modell Beschränkungen bei den Betriebszeiten, die in den Vorgängerrichtlinien fest vorgegeben waren. Anders als bei dem Kurzverfahren können die Kühllasten bei der dynamischen Kühllastberechnung nicht mehr von Hand nachgerechnet bzw. kontrolliert werden. Durch die höhere Komplexität des Modells soll die dynamische Kühllastberechnung zu realistischeren und kleineren Kühllasten führen.

Gegenüberstellung der Verfahren

Alle Verfahren berücksichtigen bei der Kühllastberechnung dieselben Einflussgrößen, bestehend aus inneren Lasten, äußeren Lasten und der thermischen Speicherung der Bauteile.

Die inneren Lasten setzen sich aus den Lasten von Personen, Beleuchtung und Maschinen zusammen. Zwischen den einzelnen Verfahren bestehen keine nennenswerten Unterschiede in der Berechnung der inneren Lasten. Anders bei den äußeren Lasten, die durch das Außenklima und die Sonneneinstrahlung verursacht werden. Da unterscheidet sich die Berechnung deutlich zwischen den alten und dem aktuellen dynamischen Verfahren. Die Außentemperatur wird beim Kurz- und EDV-Verfahren anhand eines Tagesgangs angegeben. Bei dem dynamischen Verfahren wird der Verlauf der Außentemperatur an einem Tag durch eine Sinuskurve mit dem Maximum um 15 Uhr beschrieben. Die Berechnung der Kühllast erfolgt beim dynamischen Verfahren im Regelfall mit der „Cooling Design Period“ (CDP). Die CDP ist insgesamt 19 Tage lang und besteht aus 14 bewölkten Tagen bei einer niedrigeren Außentemperatur, an die sich fünf sonnige Tage mit ansteigender Außentemperatur anschließen. In Sonderfällen kann auch nur der letzte Tag der CDP („Cooling Design Day“, CDD) genutzt werden. Die Berechnung der Verschattung und der solaren Einstrahlung durch transparente Flächen ist in dem dynamischen Verfahren aufwendiger, dafür aber flexibler und ermöglicht die Berücksichtigung einer Regelung des außen liegenden Sonnenschutzes und einer Tageslichtregelung der Beleuchtung.

Die thermische Speicherung wird bei dem Kurzverfahren anhand von vier Bauteilschweren sowie von Kühllastfaktoren berücksichtigt. Die Bauteilschweren werden für den ganzen Raum angegeben und in sehr leichte (XL), leichte (L), mittlere (M) und schwere (S) Bauweise eingeteilt. Die Kühllastfaktoren sind für zehn Wandaufbauten in Tabellen hinterlegt. Bei dem dynamischen Verfahren werden alle Außen-sowie alle Innenwände zu jeweils einer Kapazität zusammengefasst. Die Kapazitäten stehen im direkten Wärmeaustausch (Konvektion und Strahlung) mit dem Raum und bilden die thermische Speicherung ab. Das Verfahren benötigt für die Berechnung die detaillierten Wandaufbauten aller Bauteile.

Vergleich der Ergebnisse

Anhand eines Geschosses eines Bürogebäudes werden die Kühllasten des Kurzverfahrens mit denen der dynamischen Kühllastberechnung für drei Gebäudetypen verglichen (Bild 2). Die inneren Las ten und Betriebszeiten sind bei beiden Verfahren gleich gewählt und entsprechen dem aktuellen Standard hinsichtlich der Leistungsaufnahme der Beleuchtung und der EDV-Ausstattung. Die Wandaufbauten für die dynamische Berechnung entsprechen der Beschreibung der Raumtypen aus dem Kurzverfahren. Die Ergebnisse in Bild 3 zeigen, dass mit der dynamischen Kühllastberechnung abhängig von der Gebäudeschwere zwischen 6 % bis 22 % geringere Kühllasten berechnet werden als mit dem Kurzverfahren. Mit steigender Bauteilschwere und dem sich daraus bildenden höheren Einfluss der thermischen Speicherung steigt der Unterschied zwischen den Verfahren an. Dahingegen sind die Unterschiede zwischen den beiden Verfahren CDP und CDD der dynamischen Kühllastberechnung verhältnismäßig gering.

Im Zuge der Digitalisierung im Bauwesen sind die detaillierten Bauteildaten bereits Bestandteil der Gebäudemodelle und können automatisiert eingelesen werden. Ein weiterer großer Vorteil der dynamischen Berechnung ist die Möglichkeit der Einbeziehung von Anlagen- und Regeltechnik. Damit kann die reale Betriebssituation des Gebäudes abgebildet und somit eine viel realistischere Kühllast ermittelt werden. In der Gegenüberstellung der Verfahren ist dieser Vorteil hier noch nicht berücksichtigt.

Ausblick

In Teil 2 in einer der nächsten Ausgabe werden die äußeren Lasten der dynamischen Kühllastberechnung betrachtet. Es wird auf den Einfluss der solaren Strahlung sowie der Verschattung eingegangen. Außerdem wird die Betrachtung von Gebäuden mittels einer Jahressimulation erläutert.

Autor: Peter Hollenbeck, Produktmanager bei liNear

Bilder: liNear

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