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- Für die Berechnung der Kühllast von Räumen und Gebäuden ist in Deutschland VDI 2078 maßgeblich. Das Kurzverfahren ist nur unter bestimmten Bedingungen hinreichend genau, für die TGA-Anlagenplanung ist in der Regel das dynamische Berechnungsverfahren – und damit eine professionelles Softwareprogramm – zu verwenden.
- VDI 2078 kann aber nicht alle relevanten Fälle abdecken, sodass die eingesetzte Software über erweiterte Berechnungsmöglichkeiten verfügen sollte.
- Die Kühllastberechnung ist in vielen Situationen nicht nur die Grundlage für die Anlagendimensionierung, sondern kann auch zur gezielten Optimierung des Lasteintrags dienen.
Nach dem Motto „viel hilft viel“ werden teilweise immer noch Klimaanlagen nach der Grundfläche, dem Raumvolumen oder mithilfe überschlägiger Kalkulationsblätter zur Kühllastberechnung ausgelegt. Dabei werden Anlagen nicht auf die individuellen Bedürfnisse der Nutzer bzw. Bewohner zugeschnitten, sondern – um auf der sicheren Seite zu liegen – meist überdimensioniert. Das macht sich für den Bauherren/Investor nicht nur bei den Anlagenkosten, sondern auch über einen höheren Energieverbrauch bemerkbar. Dabei lassen sich mit Fachwissen und den richtigen Software-Werkzeugen schon beim Entwurf Anlagen optimieren und die späteren Betriebskosten dauerhaft senken…
Kühllastberechnung nach VDI 2078
Während die Heizlast vergleichsweise einfach ermittelt werden kann, spielen bei der Kühllast unter anderem die Gebäudeausrichtung, innere und solare Gewinne, die Verschattung und andere Faktoren eine Rolle. Mit der VDI-Richtlinie 2078 steht hierzulande eine seit fast 15 Jahren gültige Berechnungsgrundlage zur Kühllastauslegung zur Verfügung. Auf deren Basis liefern Programme zur Kühllastberechnung wahlweise eine Vorhersage der Kühllasten, Raumlufttemperaturen, Verbrauchs- und Investitionskosten oder auch eine Simulation des Temperaturverlaufs und des Energieverbrauchs.
In der Planungsphase lässt sich damit die Anlagentechnik dimensionieren, Variantenberechnungen ermöglichen deren Optimierung und können aufzeigen, inwieweit bauliche/konstruktive Maßnahmen die Kühllast beeinflussen. Dabei kann der Anwender teilweise zwischen zwei Berechnungsverfahren wählen: zwischen einem überschlägigen (erweiterten) Kurzverfahren und einem präziseren dynamischen Verfahren.
Beim Kurzverfahren werden für die Ermittlung der Kühllast eines Raumes oder Gebäudes Randbedingungen bzw. Belastungsverläufe vorgegeben (durchgehender Anlagenbetrieb, konstante Raumlufttemperatur, feste Vorgaben für Klima, Sonnenschutz, Verschattung etc.) und lediglich Speichereinflüsse im Raum infolge innerer und äußerer Strahlungslasten sowie in den Außenwänden und Dächern berücksichtigt. Das schränkt den Anwendungsbereich des Kurzverfahrens in der Praxis allerdings stark ein [1].
Beim dynamischen Berechnungsverfahren fließen Gebäudedaten, der Standort sowie realistische Randbedingungen bzw. Belastungsverläufe mit ein. Dazu gehören zeitveränderliche Raumlufttemperatur-Sollwerte, eine frei schwingende Raumlufttemperatur (z.B. außerhalb der Betriebszeiten), ebenso wie ein unterbrochener Anlagenbetrieb.
Eingabe…
Bei der Eingabe wird das Gebäude zunächst mithilfe eines integrierten oder externen Raum-/Gebäudeplaners geometrisch erfasst, respektive per CAD-Schnittstelle übernommen. Anschließend werden über mehr oder weniger selbst erklärende Dialogfenster alle relevanten Raumdaten zugewiesen. Da keine komplexen Schichtdaten mit Dicke, spezifischer Wärmekapazität, Dichte, Wärmeleitfähigkeit, Schichtreihenfolge etc. benötigt werden, sondern lediglich U-Werte der Bauteile und einige Randparameter, hält sich der Aufwand in Grenzen.
Anschließend werden grundlegende Gebäudedaten wie Kühllastzonen, Kühlanlagen und deren Betriebszeiten eingegeben. Lastprofile ermöglichen die rationelle Beschreibung von Bereichen, die sich bezüglich der Kühllast gleichen, was den Eingabeaufwand reduziert. Sie lassen sich wahlweise mit stündlicher Auflösung über 24 Stunden oder über zwölf Monate für die Bereiche Sonnenschutz, Beschattung, Personenbelegung, Beleuchtung, Maschinen-/Gerätelaufzeiten, Luftströme etc. präzise definieren. Die Lastprofile können gespeichert und für weitere Projekte verwendet werden.
Steht neben der Standard-Projektstrukturierung Gebäude, Geschoss und Raum auch eine Zonen-Gruppierung zur Verfügung, kann man Gebäudebereiche auch geschossunabhängig betrachten, etwa für eine Untersuchung der Nord-/Südseite, von Verkehrszonen etc.
Alle Raumbelastungen nach VDI 2078 werden 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 den inneren Kühllasten wird die Wärmeabgabe durch Personen, Beleuchtung, Maschinen- und Gerätewärme, Wärmestrom von Nachbarräumen etc. berücksichtigt. Voraussetzung einer exakten Berechnung sind Klimadaten für den jeweiligen Objektstandort. Daher werden für verschiedene Standorte (innerhalb, 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, je nach Programm, mehr oder weniger exakt berücksichtigt.
…Simulation und Ausgabe
Berechnet wird die Kühllast und Raumlufttemperatur für durchgehenden oder unterbrochenen Betrieb für das gesamte Projekt, Geschosse, Zonen oder einzelne Räume, jeweils für die Monate Juli und September mit der größten Kühllast oder frei wählbar für alle oder einzelne Monate. Berücksichtigt werden der eingeschwungene Zustand und Anfahrspitzen.
Um aus der Fülle der Ausgabedaten aufgabenbezogen die gerade wichtigen schneller herausfiltern und Unregelmäßigkeiten sicher lokalisieren zu können, respektive für einen schnelleren Überblick, werden die Ergebnisse in übersichtlichen Grafiken, Diagrammen und Reports am Bildschirm angezeigt, ausgedruckt oder als Grafik-/PDF-Datei exportiert. Sämtliche Diagramme, die den Berechnungsablauf unterstützen, werden gemeinsam mit den Berechnungstabellen dargestellt. Teilweise enthalten Reports auch kurze Legenden, in denen Abkürzungen und Fachbegriffe erläutert werden. Die Diagrammdarstellung kann modifiziert werden, einzelne Reaktionsgrößen lassen sich optional mit abbilden, ebenso kann zwischen den Diagrammdarstellungen ohne Neuberechnung monatsweise umgeschaltet werden.
Zu den Ausgabedaten zählen Jahressummen der Kühllast zu bestimmten Monaten/Stunden, die Raum- und Gesamtlast mit allen einzelnen Lasten und Temperaturen in jeder Stunde/Monat, die Darstellung von Soll- und Istwerten für die Kühllast und Temperaturen im Raum, die Überschreitungshäufigkeit der Ist-Temperatur, eine Auflistung, an welchen Stunden/Monaten die Maximalwerte für Kühl- und Heizlast erreicht werden und einiges mehr.
Die Simulationsfunktion liefert alle Werte automatisch in zeitlicher Abhängigkeit, wodurch realistischere Voraussagen ermöglicht werden. Einzelne Komponenten und Kenngrößen lassen sich variieren und so Wechselwirkungen auf das Gesamtsystem deutlich machen. Beispielsweise können die direkte Sonneneinstrahlung ausgeblendet oder alle inneren Lasten deaktiviert werden. Die simulierte Anlage lässt sich sogar ausschalten, um zu prüfen, welche Temperaturen sich dann einstellen. Das ist beispielsweise für einen alternativen Nachweis des sommerlichen Wärmeschutzes oder für Redundanzbetrachtungen nützlich.
Inputqualität bestimmt Outputqualität
Programme für die Kühllast- und Raumtemperaturberechnung nach VDI 2078 sind für die meisten Anwendungsfälle bewährte Planungswerkzeuge. Ob das Ergebnis hinterher allerdings auch der Realität entspricht, hängt davon ab, wie präzise Räume, Bauteile und Rahmenbedingungen erfasst wurden. Sind die Eingaben ungenau, können Simulationsprogramme auch keine zuverlässigen Vorhersagen liefern.
Häufige Fehler bei der Kühllastberechnung sind zum Beispiel eine ungeeignete Festlegung von Nebenraumtemperaturen, eine Nichtbeachtung des Einflusses konvektiver Wärmeübergabe, eine pauschale Berechnung nur für den Monat Juli, fehlerhafte Angaben zur Energiedurchlässigkeit von Fenstern und Sonnenschutz, ungenaue Verschattungsangaben etc.
Während Anwender mit inneren Lasten oder Raumtypen vertraut sind, wird beispielsweise die Verschattung nicht über das gesamte Jahr ausreichend berücksichtigt, obwohl der Einfluss auf die Kühllast erheblich sein kann. Werden auch andere Einflussfaktoren, etwa die Nebenraumtemperaturen, nur pauschal festgelegt, kann dies das Berechnungsergebnis deutlich verfälschen, da durch die innere Umschließungskonstruktion fließende Wärmeströme einen erheblichen Einfluss auf die Kühllast haben können [2]. Nicht jede Software beugt Fehleingaben mit Plausibilitätsprüfungen oder Automatismen vor und nicht immer ist dies auch möglich. Deshalb müssen die Ergebnisse immer kritisch hinterfragt werden.
Kühllastberechnung im Umbruch
Neue Entwicklungen im Bereich der Bau- und Klimatechnik, der Energieeinsparverordnung (EnEV) sowie EU-weite und internationale Standards haben dazu geführt, dass die VDI 2078 nicht mehr auf alle aktuellen Fragen Antworten liefern kann. Nicht oder nicht ausreichend berücksichtigt werden Systeme, wie Kühldecken oder die thermische Bauteilaktivierung, das Behaglichkeitsempfinden der Nutzer etc. Ansätze zu einer Weiterentwicklung enthält der Entwurf zur VDI 6007 oder die DIN EN 15255. Beide werden bereits von einigen Programmen im Vorgriff auf künftige Kühllastprogramme berücksichtigt.
Immer wichtiger bei der Kühllastberechnung wird der „Wohlfühl-Faktor“. Deshalb wird zunehmend auch das Behaglichkeitsempfinden der Nutzer berücksichtigt. Behaglichkeitsdefizite lassen sich so lokalisieren und die prozentuale Anzahl unzufriedener Personen (PPD-Wert nach DIN EN ISO 7730) minimieren. Der PPD-Wert ist ein seit Jahren international anerkanntes Maß für die Thermische Behaglichkeit. In DIN EN 15251 sind auf Grundlage des PPD-Wertes Behaglichkeitskategorien festgelegt. Ein Teil der momentan am Markt erhältlichen Kühllastprogramme berücksichtigt die Thermische Behaglichkeit (noch) nicht und entspricht damit nicht den allgemein anerkannten Regeln der Technik [3].
Was bietet der Markt?
Neben einfachen, teilweise auf dem Tabellenkalkulationsprogramm Excel basierenden Berechnungsprogrammen nach VDI 2078, besteht die Mehrzahl des Angebots aus Berechnungs- und Simulationsprogrammen nach VDI 2078/VDI 6007, bzw. der österreichischen ÖNORM H 6040. Unter den rund 15 bis 20 Programmen befinden sich auch in größere Softwaresysteme (z.B. in CAD-Programme) eingebundene Berechnungsmodule. Daneben gibt es auch kostenlose Online-Rechentools für die überschlägige Berechnung (siehe Übersicht).
Worauf sollte man bei der Auswahl achten? Da ist zunächst der Anbieter. Seit wann ist er auf dem Markt? Wie viele Lizenzen werden bereits eingesetzt? Welches Datum hat die letzte Version? Grundlegend ist natürlich die Frage, ob es sich um eine überschlägige Auslegungshilfe, ein Berechnungsprogramm mit dynamischer Simulation oder gar um ein umfassendes Gebäude-/Anlagensimulations-System handelt. Mit Letzteren (siehe auch: Software zur Simulation von Gebäuden – Digitale Diagnose“, TGA 1-2007 Webcode 133006) lassen sich nicht nur RLT-Anlagen, sondern auch die energetischen, solar-, licht- und schalltechnischen Eigenschaften von Gebäuden und Anlagen optimieren.
Automatismen sollten nach Möglichkeit Anwendereingaben auf Plausibilität prüfen. Alle Klimadaten sollten für das Land/die Region, für die man die Software einsetzen will, enthalten sein. Zum Basis-Service sollte mindestens ein Telefon- und E-Mail-Support gehören. Die Preise bewegen sich von etwa 500 Euro für die Berechnung nach dem (erweiterten) VDI 2078-Kurzverfahren, über etwa 1500 Euro und mehr für ein Berechnungsprogramm mit Simulationsfunktion – bis hin zu mehreren 10000 Euro für ein umfassendes Gebäude-/Anlagen-Simulationsprogramm. Aufgrund der vielen Änderungen/Erweiterungen von Normen und Richtlinien ist zusätzlich der Abschluss eines Software-Wartungsvertrags sinnvoll, um die Software auf dem aktuellen Stand zu halten. Für bestimmte Betrachtungen und laufende Projekte kann dabei die Umschaltung zwischen unterschiedlichen Normenständen ein sehr wichtiges Kriterium sein. Marian Behaneck
Regelwerk, Quellen
[1] VDI 2078 Berechnung der Kühllast klimatisierter Räume (VDI-Kühllastregeln). Berlin: Beuth Verlag, Juli 1996, überprüft und bestätigt Januar 2007
[2] VDI 2078 Blatt 1: Berechnung der Kühllast klimatisierter Gebäude bei Raumkühlung über gekühlte Raumumschließungsflächen, Berlin: Beuth Verlag, Februar 2003
[3] VDI 6007 Berechnung des instationären thermischen Verhaltens von Räumen und Gebäuden – Blatt 1: Raummodell (Oktober 2010); Blatt 2 (Entwurf): Fenstermodell (August 2009); Blatt 3 (Entwurf): Modell der solaren Einstrahlung (März 2010), Berlin: Beuth Verlag
[4] DIN EN 15251 Eingangsparameter für das Raumklima zur Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden – Raumluftqualität, Temperatur, Licht und Akustik. Berlin: Beuth Verlag, August 2007
[5] DIN EN 15255 Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden – Berechnung der wahrnehmbaren Raumkühllast – Allgemeine Kriterien und Validierungsverfahren. Berlin: Beuth Verlag, November 2007
[6] DIN EN ISO 7730 Gemäßigtes Umgebungsklima – Ermittlung des PMV und des PPD und Beschreibung der Bedingungen für thermische Behaglichkeit. Berlin: Beuth Verlag, Mai 2006
[7] Nadler, N.; Seifert, C.: Kurzverfahren zur Planung ungeeignet. Stuttgart: Gentner Verlag, TGA 12-2004
[8] Nadler, N.: Korrekturvorschläge zum EDV-Verfahren der VDI 2078, Teil 1a+b, 2a+b. Oranienburg 2004
[9] Nadler, N.: Thermische Behaglichkeit – Auslegungskriterien für Heiz- und Kühllastberechnungen. Gütersloh: Bauverlag, TAB 9-2010
[10] Nadler, N.: Kühllastberechnungen für Bauteilanlagen. Düsseldorf: Springer VDI, HLH 2-2008
[11] Trogisch, A.; Seifert, C.: Aspekte der Kühllastberechnung nach VDI 2078 – Anwendung von PC-Programmen zur Kühllastberechnung. Heidelberg: Hüthig, KI 11-2003
[12] Trogisch, A.; Seifert, C.; Franzke, U.: Hinweise zur Kühllastberechnung. Heidelberg: Hüthig, 12-2005
Programme / Anbieter (Auswahl)
CoolTool Kühllastberechnung http://www.cooltool-software.com
Dendrit Kühllast (VDI 2078) http://www.dendrit.de
Dynamische Kühllastberechnung VDI 2078 http://www.sss2000.de
Kühllast H6040 (nach ÖNORM H 6040) http://www.kuehllast.at
Kühllast http://www.cats-software.com
Kühllast/Kühllast professional http://www.hottgenroth.de
Kühllastberechnung nach VDI 2078 http://www.linearweb.de
Kühllastberechnung nach VDI 2078 http://www.kaut.de
Kühllastberechnung VDI 2078 (Modul) http://www.rehau.de
Kühllastberechnung VDI 2078 http://www.solar-computer.de
Kühllastberechnung VDI 2078 http://www.willms.de
mh-VDI2078 https://www.mh-software.de/
nova Kühllastberechnung http://www.plancal.de
Rucon-Klima https://www.tacos-gmbh.de/
TGA-KW http://www.icesoftware.de
VRV Pro http://www.daikin.de
Für die überschlägige Kühllastberechnung existieren online mehrere Tools, beispielsweise von Dimplex, Mitsubishi Electric, Purul, Remko, Stulz und Stiebel Eltron. Unter dem Webcode 304697 haben wir diese direkt verlinkt.
