Sicherer planen mit validierter Software

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• Mit den aktuellen Fassungen der Richtlinien VDI 2078 und VDI 6007 wurde die Kühllast-Berechnung auf eine neue Grundlage gestellt, verbessert und erweitert.
• Durch den Wegfall vereinfachender Annahmen und der Berücksichtigung von Bauteilschichten, thermoaktiven Bauteilsystemen, modernen Regelstrategien, individuellen Fassadenkonstruktionen oder Sonnenschutzeinrichtungen ist das neue Berechnungsverfahren präziser, allerdings auch komplexer und bei der Eingabe aufwendiger.
• Neu ist auch die Software-Validierung, bei der Softwarehersteller per Konformitätserklärung schriftlich zusichern müssen, dass ihre Software VDI-2078:2015- und VDI-6007-1:2015-konform rechnet. Dennoch sollten die Ergebnisse vom Anwender auf Plausibilität überprüft werden.

Über fast zwei Jahrzehnte war die VDI-Richtlinie 2078 in der Ausgabe vom Juli 1996 maßgebend bei der Auslegung und Berechnung von klima- und lüftungstechnischen Anlagen. Neue Entwicklungen in der Bau- und Klimatechnik, der Energieeinsparverordnung sowie internationale Standardisierungsbestrebungen haben dazu geführt, dass die Richtlinie nicht mehr dem aktuellen Stand der Technik entsprach und alle Aufgabenstellungen abdecken konnte.

Wichtige Einflussfaktoren auf die Kühllast, wie das Gebäude- und Fassadenkonzept, die thermische Bauteilaktivierung, Flächenkühlsysteme, das Behaglichkeitsempfinden der Nutzer oder moderne Anlagen-Regelstrategien waren in dem Regelwerk nicht oder nur unzureichend berücksichtigt.

Deshalb hat die neu herausgegebene VDI-Richtlinie 2078 in der Ausgabe vom Juni 2015 [1] das Berechnungsverfahren auf eine komplett neue Grundlage gestellt, es verbessert und erweitert (TGA 09-2015: Keine Angst vor der neuen Kühllast,  Webcode  672197).

Was ist neu in der neuen VDI 2078?

Zahlreiche Neuerungen, wie die Schichtsimulation, der Wegfall der Bauschwereklassen, die Ermittlung der operativen („gefühlten“) Raumtemperatur, die Berücksichtigung urbaner Zentren oder thermoaktiver Bauteilsysteme kennzeichnen die neue Richtlinie. Alle das thermische Raumverhalten beeinflussenden Faktoren werden jetzt präzise und bis ins Detail erfasst und bei der Berechnung berücksichtigt – beispielsweise die Wechselwirkungen zwischen thermischer Berechnung, der Betriebsweise, Anlagenkomponenten und Regelstrategien.

Anlagen zur maschinellen oder natürlichen Lüftung, Flächenheizung oder -kühlung sind in das Rechenverfahren integriert und werden nicht mehr über Näherungsverfahren bestimmt. Es ist jetzt auch möglich, Bauteil-kühlung, Kühldecken, Anlagen mit variablem Volumenstrom zu berechnen sowie die Betriebsweise und Regelung der Anlagen zu optimieren.

Die Beleuchtungs- und Sonnenschutzsteuerung in Gebäuden wird ebenso berücksichtigt, wie die natürliche Lüftung von Gebäuden. Da auch individuelle Fassadenkonstruktionen und Sonnenschutzeinrichtungen erfasst werden, kann die Kühllast auch durch bauliche Maßnahmen optimiert werden. Auch die Wetterdaten wurden erweitert, die Klimazonen in Deutschland neu eingeteilt und die besonderen klimatischen Verhältnisse von Großstädten berücksichtigt.

Erstmalig ist auch ein umfangreiches Validierungsverfahren für Programme mit dem Rechenkern nach VDI 6007 Blatt 1 [2] enthalten. Anhand von 28 Testbeispielen soll es sicherstellen, dass damit getestete Programme den Anforderungen der aktuellen VDI-Regelwerke genügen. Die Validierungsbeispiele sind so ausgewählt, dass sie auch die Validierung nach ASHRAE beinhalten. Eine Konformitätserklärung soll sicherstellen, dass die validierte Software vom Hersteller getestet, alle in der VDI 2078 und VDI 6007-1 beschriebenen Validierungsbeispiele mit der Software durchgerechnet und dabei die Ergebnistoleranzen für Temperaturen und Lasten eingehalten wurden.

In einer Konformitätserklärung bestätigt der Hersteller, die Validierung nach VDI 2078, Abschnitt 9 erfolgreich durchgeführt zu haben und die Validierungsdateien mit der Software in nachrechenbarer Form auszuliefern. Diese Konformitätserklärung sollte sich der (potenzielle) Anwender am besten in Papierform oder als PDF-Datei vorlegen lassen, denn bei fehlerhafter Validierung haftet der Programmhersteller für Berechnungsfehler, die auf Mängel im Rechenkern der Software zurückzuführen sind.

Welche Kühllast-Software gibt es?

Trotz – oder gerade wegen der Komplexität des Themas: Kühllast-Berechnungsprogramme gibt es viele. An der unteren Leistungsskala stehen kostenlose Online-Rechner oder Excel-Berechnungstools von Geräteherstellern, beispielsweise Dimplex, Kaut, Mitsubishi, Purul, Remko, Stulz oder Stiebel-Eltron (siehe Übersicht). Sie dienen Fachhandelspartnern oder Endverbrauchern der überschlägigen Kühllast-Abschätzung in früher Projektphase und orientieren sich teilweise am Kurzverfahren der VDI 2078:1996.

Daneben gibt es auch nicht kommerzielle, kostenlos herunterladbare Programme für Fachplaner, die eine reguläre thermisch-dynamische Kühllast-Simulationsrechnung nach VDI 2078:1996 ermöglichen, wie https://www.bplaced.net/

Die Mehrzahl des kommerziell von Software-Herstellern vertriebenen Angebots besteht aus Berechnungs- und Simulationsprogrammen nach alter VDI 2078:1996, aktueller VDI 2078:2015, der österreichischen ÖNORM H 6040 sowie der US-Norm ASHRAE (siehe Tabelle und Übersicht). Zu den 18 recherchierten Programmen gehören sowohl eigenständige, separat lauffähige Programme (Stand-Alone) als auch in CAD- oder Gebäudesimulationsprogramme integrierte Berechnungsmodule, die das jeweilige Basisprogramm voraussetzen.

Kommerzielle Kühllast-Software für Fachplaner dient vor allem der Auslegung, dem Nachweis und der Optimierung von klima- und lüftungstechnischen Anlagen, Gebäuden, Fassaden oder Verschattungseinrichtungen. Wie sich die einzelnen Programme im Detail unterscheiden, zeigt der tabellarische Produktvergleich. Nicht abgefragt werden konnten Qualitäten, etwa des Telefon- und E-Mail-Supports. Hier ist wichtig, dass am anderen Ende der Support-Leitung Kühllast-Fachleute sitzen, die nicht nur über Programmhürden hinweghelfen, sondern auch fachliche Fragen verstehen und beantworten können. Die Software-Preise für Kühllast-Software liegen zwischen 500 Euro und 2000 Euro und mehr, teilweise zuzüglich einer CAD-Software, wobei die Kosten für Software-Updates / Upgrades sehr unterschiedlich sind.

Was kann Kühllast-Software?

Über viele Jahre wurden Klimaanlagen nach der Grundfläche, dem Raumvolumen oder mithilfe überschlägiger Kalkulationsblätter zur Kühllastberechnung ausgelegt. Dabei wurden die Anlagen nicht auf die individuellen Bedürfnisse der Nutzer, die Besonderheiten des Gebäudes und andere Randbedingungen zugeschnitten, sondern – um auf der sicheren Seite zu liegen – in der Regel überdimensioniert. Das hat sich für den Bauherren / Investor nicht nur bei den Anlagenkosten, sondern auch über einen höheren Energieverbrauch bei den Betriebskosten bemerkbar gemacht. Auch für die Nutzer war diese Vorgehensweise nachteilig, denn thermische Behaglichkeit lässt sich mit überdimensionierten Systemen in der Regel nicht erreichen.

Kühllast-Berechnungssoftware ermöglicht eine erheblich genauere und individuell zugeschnittene Auslegung und Optimierung von Anlagen. Berechnet werden wichtige Werte wie die Kühllast, die Raumlufttemperatur, die operative Temperatur, der Temperaturverlauf, Energiebedarf, Verbrauchskosten und weitere Parameter für Räume aller Art mit und ohne Klimatisierung. Da sämtliche Randbedingungen frei definiert werden können, lassen sich folgende und viele weitere Fragen beantworten:

Ist die vorgesehene Kühldecke ausreichend? Wie lässt sich ein angenehmes Raumklima erzielen? Welche Lasten / Temperaturen entstehen im Raum, wenn die Temperatur nur während der Bürozeiten vorgegeben wird? Welche Auswirkung hat der natürliche Luftwechsel? Lässt sich die Kühllast dadurch nennenswert senken? Welchen Einfluss hat ein Wechsel der Regelstrategie, beispielsweise von einer Ein-/Zweipunkt-Regelung zur Proportional-Regelung?

Wie wirkt sich die Änderung des Volumenstromes einer Quelllüftung auf die Kühllast aus? Welche Temperaturen stellen sich mit freier Kühlung/Nachtlüftung ein? Deckt die vorhandene Klimaanlage den Lastbedarf? Welche Temperaturen stellen sich im Raum ein, wenn die Klimaanlage nicht in Betrieb ist? Reicht eine Lüftungsanlage aus? Kann auf eine Klimatisierung ganz verzichtet werden, wenn beispielsweise die Eigenverschattung optimiert wird? Die Vielzahl und Vielfalt der Fragestellungen macht deutlich, dass Planer mit der neuen VDI 2078 und VDI 6007 ein umfassendes Berechnungs-Werkzeug erhalten, das vielseitig einsetzbar ist und kaum Fragen offen lässt.

Wie wird die Kühllast berechnet?

Eine präzise grafische Definition der Raum-/Gebäudegeometrie per 3D-Editor, respektive DXF-, IFC- oder gbXML-Datenimport ist Voraussetzung für eine exakte thermisch-dynamische Simulation. Verfügt das Kühllast-Berechnungsprogramm über eine direkte CAD-Schnittstelle oder ist die Kühllastberechnung in eine CAD-Software integriert, vereinfacht das eine interaktive Optimierung des Gebäude-, Fassaden- und Verschattungskonzepts. Problematisch bleibt allerdings der Umstand, dass der TGA-Planer als typischer Nutzer der Kühllastsoftware keinen direkten Einfluss darauf nehmen kann. Lösbar ist dieser Konflikt nur durch interdisziplinäre Zusammenarbeit.

Den Raum-/Gebäudegeometrien werden anschließend alle kühllastrelevanten Daten zugeordnet. Dazu gehören alle U-Werte der die Raumhülle bildenden Materialien sowie der Schichtaufbau. Dabei werden das Material, die Materialstärke sowie die Reihenfolge inklusive aller bauphysikalischen Eigenschaften (Wärmeleitfähigkeit, Dichte, Speicherkapazität etc.) erfasst und zugewiesen. Anschließend werden innere und äußere Lasten definiert.

Bei den inneren Kühllasten wird die Wärmeabgabe durch Personen, Beleuchtung, Maschinen- und Gerätewärme, Wärmestrom von Nachbarräumen, erdreichberührte Bauteile etc. berücksichtigt. Zu den äußeren Raumbelastungen gehören die Transmission durch Außenwände, Dächer, Fußböden oder Fenster, ferner die Sonnenstrahlung auf Außenwände und Dächer, aber auch der Energieeintrag durch Sonnenstrahlung über Fenster sowie den Außenluftwechsel über Fenster, Türen und Fugen.

Bei der Eingabe von Lastprofilen für innere Lasten oder die Anlagennutzung wird zwischen Arbeitstagen und Nicht-Arbeitstagen und so nach der tatsächlichen Raumnutzung pro Wochentag unterschieden. Die Kühllast wird nach neuer VDI 2078 für den Auslegungstag (Cooling Design Day, CDD) mit maximaler Außentemperatur unter Berücksichtigung von normierten Nutzungsbedingungen ermittelt, dem eine mehrtägige Anlaufperiode (Cooling Design Period, CDP) mit einer Abfolge von Arbeits- und Nichtarbeitstagen zum Einschwingen des thermischen Zustandes vorgeschaltet ist. Die CDP besteht aus einer vierzehntägigen Vorberechnung mit bedeckten und / oder bewölkten Tagen und einer viertägigen Anlaufberechnung mit sonnigen Tagen und kontinuierlich ansteigender Außentemperatur.

Diese Berechnungsstrategie des „aperiodischen Einschwingens“ gleicht unter anderem das unterschiedliche thermische Verhalten von Räumen aus. Über frei kombinierbare Elemente für Verglasung, Sonnenschutz und Hinterlüftung werden individuelle Fenster- und Fassadenkonstruktionen bei der Berechnung berücksichtigt. Das der VDI 6007-3 [2] zugrunde liegende Modell der solaren Einstrahlung liefert dazu Strahlungswerte für horizontale und beliebig geneigte Fenster und Fassadenflächen, einschließlich eventueller Sonnenschutzeinrichtungen. Gängige Verglasungsarten und Sonnenschutzsysteme können über Standardwerte für unterschiedliche Verglasungsarten, zweischalige durchlüftete oder nicht durchlüftete Fassaden direkt ausgewählt werden.

Da die Anlagenkomponenten mit dem Gebäudemodell gekoppelt sind, lassen sich auch Thermoaktive Bauteilsysteme (TABS), respektive Flächenkühlsysteme abbilden. Dazu wird die Kühllast in Konvektiv- und Strahlungsanteile aufgeteilt. Die Leistungsabgaben werden abhängig von der Systemart, der Systemtemperatur und eventuellen Begrenzungen betrachtet und dynamisch berechnet. Da auch die Regelstrategie der installierten haustechnischen Anlagen einen wesentlichen Einfluss auf die Kühllast hat, lassen sich auch regelungstechnische Auswirkungen überprüfen und optimieren.

Neben der maschinellen Lüftung werden auch die Fensterlüftung als natürliche Lüftung und die Veränderung des Wärmeeintrags bei Fensterlüftung mit Sonnenschutz berücksichtigt. Auch die Tatsache, dass sich innerstädtische Bereiche stärker aufheizen und dadurch einen erhöhten Kühl- oder Lüftungsbedarf voraussetzen, wird über höhere Tagesmitteltemperaturen und eine geringere Nacht-Abkühlung bei der Berechnung erfasst.

Voraussetzung einer exakten Berechnung sind Klimadaten für den jeweiligen Objektstandort. Deshalb werden für Standorte innerhalb (Deutschland), aber auch außerhalb des Geltungsbereiches der VDI 2078 Klimadaten für Einstrahlung, Lufttemperatur und Windgeschwindigkeit in stündlicher Auflösung für den Zeitraum eines Jahres bereitgestellt. Auch die Verschattung durch den Horizont, durch Häuser oder Bäume sowie die Eigenverschattung wird individuell berücksichtigt. Teilweise ermöglicht ein grafischer Verschattungseditor eine geometrisch exakte Definition individueller Verschattungseinrichtungen, sodass der Einfluss auf die Kühllast realistisch berechnet werden kann.

Berechnet, respektive simuliert, wird neben der Kühllast die sich dynamisch einstellende Raumtemperatur sowie die operative Temperatur, die auch den Einfluss der Strahlung der raumumschließenden Flächen auf das Behaglichkeitsempfinden berücksichtigt.

Zu den weiteren Ausgabedaten gehören Temperaturverläufe, der Energiebedarf, Verbrauchskosten etc. Teilweise wird auch eine Feuchtebilanzierung ausgegeben: die vorhandene Raumluftfeuchte sowie die erforderliche Zulufttemperatur und Zuluftfeuchte. Ausgegeben werden die Berechnungsdaten in Form von Report-Berichten. Dazu werden auf der Grundlage individuell konfigurierbarer Reportvorlagen Auswertungen, Tages-, Monats- oder Jahresdiagramme, Soll-/Istwerte etc. zu einem Bericht zusammengestellt.

Fazit: Aufwendiger, aber genauer

Dass das neue Berechnungsverfahren komplexer und die Eingabe für den Anwender deutlich umfangreicher ist, lässt sich nicht von der Hand weisen. Mit dem Wegfall vereinfachender Annahmen, der Bauteilschichtsimulation, der Berücksichtigung thermoaktiver Bauteilsysteme, moderner Regelstrategien, individueller Fassadenkonstruktionen und Sonnenschutzeinrichtungen etc. hat sich der Eingabeumfang deutlich erhöht. Da gleichzeitig die Tools zur Eingabe einfacher geworden sind, ist der Mehraufwand insbesondere von der direkten Verfügbarkeit der erforderlichen Eingabedaten abhängig.

Andererseits wurde die Ergebnisqualität verbessert, sodass der Anwender ein genaueres, physikalisch nachvollziehbares Ergebnis erhält. Einen deutlichen Mehraufwand generiert die neue Berechnungsmethodik auch aus der Sicht der Software-Hersteller. Ein Indiz dafür ist, dass sich von den 18 recherchierten Programmen nur die Hälfte der Anbieter an dieser Marktübersicht beteiligt hat. Das legt den Schluss nahe, dass viele einfach noch nicht so weit sind und ihre Software erst an die Vorgaben der neuen Richtlinie anpassen müssen.

Neben dem personellen und programmtechnischen Aufwand könnte auch die Validierung eine Hürde sein. Aus Anwendersicht ist sie zu begrüßen, auch wenn sie nicht dasselbe Vertrauen ausstrahlt, wie die Prüfung und Zertifizierung durch eine unabhängige Institution. Sie stellt mit der Konformitätserklärung aber zumindest verbindlich fest, dass der Hersteller alle Testfälle durchgerechnet und die Ergebnistoleranzen für Temperaturen und Lasten eingehalten hat.

Das gibt Anwendern mehr Sicherheit, dass die jeweilige Software richtig rechnet. Zu Fehlern kann es dennoch kommen – etwa aufgrund falscher Annahmen, ungenauer oder vom Planungs- bzw. Baugeschehen überholter Eingabedaten oder durch Bedienungsfehler. Deshalb entbindet auch eine vali-dierte Software Anwender nicht davon, die Ergebnisse kritisch auf Plausibilität zu prüfen und während der Planungs- und Realisierungsphase aktuell zu halten, was angesichts der Komplexität der Materie, der Wechselwirkungen und Zusammenhänge ein profundes Kühllast-Expertenwissen und viel Erfahrung voraussetzt.  Marian Behaneck

Weitere Programme und Anbieter (Auswahl)

CoolTool Kühllastberechnung www.cooltool-software.com

Dynamische Kühllastberechnung VDI 2078 www.sss2000.de

Gebsimu www.gebsimu.de

Kühllast Berechnung https://www.bplaced.net/

Kühllastberechnung VDI 2078 www.willms.de

Rucon-Klima www.tacos-gmbh.de

TGA-KW www.icesoftware.de

VRV Pro www.daikin.de

Überschlägige Kühllastrechner

www.dimplex.de/online-planer/kuehllastrechner/KueLaRe.php?step=1step

www.kaut.de/download/software/kuehllastberechnung-nach-vdi-2078

www.mitsubishi-les.info/kuehllast/2012-10-01/easyKUEHLLAST.html

www.purul.de/index.php?seite=kuehllast

www.remko.de/de/lastberechnung_kuehllastberechnung

www.stulz.de/de/produkte/komfortklima/kuehllastrechner

tools.stiebel-eltron.de/intern/flashtemp/kuehllast

Literatur und Quellen

 [1] VDI 2078 Berechnung der thermischen Lasten und Raumtemperaturen (Auslegung Kühllast und Jahressimulation). Berlin: Beuth Verlag, Juni 2015

 [2] VDI 6007 Berechnung des instationären thermischen Verhaltens von Räumen und Gebäuden – Blatt 1: Raummodell (Juni 2015); Blatt 2: Fenstermodell (März 2012); Blatt 3: Modell der solaren Einstrahlung (Juni 2015). Berlin: Beuth Verlag

 [3] VDI 2067-10 Wirtschaftlichkeit gebäudetechnischer Anlagen – Energiebedarf von Gebäuden für Heizen, Kühlen, Be- und Entfeuchten. Berlin: Beuth Verlag, September 2013

 [4] VDI 6020-1 Anforderungen an Rechenverfahren zur Gebäude- und Anlagensimulation – Gebäudesimulation, Berlin: Beuth Verlag, Mai 2001

 [5] DIN EN 15 251 Eingangsparameter für das Raumklima zur Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden – Raumluftqualität, Temperatur, Licht und Akustik. Berlin: Beuth Verlag, Dezember 2012

 [6] DIN EN 15 255 Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden – Berechnung der wahrnehmbaren Raumkühllast – Allgemeine Kriterien und Validierungsverfahren. Berlin: Beuth Verlag, November 2007

 [7] DIN EN ISO 7730 Ergonomie der thermischen Umgebung – Analytische Bestimmung und Interpretation der thermischen Behaglichkeit durch Berechnung des PMV- und des PPD-Indexes und Kriterien der lokalen thermischen Behaglichkeit. Berlin: Beuth Verlag, Mai 2006

 [8] Rouvel, L., Seifert, C.: Der Begriff Kühllast in der künftigen VDI 2078. Düsseldorf: Springer-VDI-Verlag, HLH 02-2012

 [9] Rosendahl, E.: Neue Kühllastregeln ermöglichen Planern effizienteres Arbeiten: Kühllast und Simulation nach der neuen VDI-Richtlinie 2078. Arnsberg: IKZ-Haustechnik 08-2012

[10] Holzschuh, M.: Keine Angst vor der neuen Kühllast. Stuttgart, Gentner Verlag, TGA 09-2015,  Webcode  672197

Unter Kühllast wird die Kälte- oder Wärmeleistung einer klima- und lüftungstechnischen Anlage verstanden, die erforderlich ist, um eine vorgegebene Raumlufttemperatur zu erreichen oder einzuhalten. Sie setzt sich zusammen aus äußeren und inneren Kühllasten: Äußere Kühllasten resultieren aus der Wärmeenergie, die durch Sonneneinstrahlung und warme Außenluft über die Gebäudehülle und Fenster in das Gebäude eingebracht wird. Innere Kühllasten entstehen durch einen Energieeintrag im Gebäudeinneren, beispielsweise durch die Wärmeabgabe von Personen, der Beleuchtung, von Maschinen und Geräten, durch Stoffströme oder durch den Wärmestrom von Nachbarräumen.

ASHRAE: (American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers) Vom gleichnamigen US-amerikanischen Ingenieurverband definierte Standards für die Bereiche Heizungs-, Kühlungs-, Lüftungs- und Klimaanlagenbau.

CDD, CDP: (Cooling Design Day, Cooling Design Period) Für die Kühllast-Auslegungsberechnung notwendige Betrachtungszeiträume: Dem Auslegungstag (CDD) mit maximaler Außentemperatur ist eine mehrtägige Anlaufperiode (CDP) mit einer Abfolge von Arbeits- und Nichtarbeitstagen zum Einschwingen des thermischen Zustandes vorgeschaltet.

TABS: (Thermoaktive Bauteilsysteme) Methode zum Heizen oder Kühlen von Räumen mit thermisch aktiven Decken, Böden oder Wänden, respektive Flächenheiz-/kühlsystemen.