Raumtemperaturen einfacher abschätzen

06.12.2012 | Veröffentlicht in Ausgabe 12-2012

Abb. 1 Luftwechsel(rate) bei natürlicher Lüftung nach [2, Anhang B] und dem Verhältnis von wirksamer offener Fensterfläche zu Gesamtfensterfläche Sa.

Um bereits im Vorentwurf den Einfluss verschiedener baulicher Parameter, wie die Bauwerksmasse, die Fenstergröße und den Außenluftvolumenstrom auf die sich im Sommer einstellende Raumlufttemperatur zu ermitteln, braucht man ein Abschätzmodell. Die internationale Normung hat nun ein vor mehr als 30 Jahren entwickeltes Verfahren (re)aktiviert, das seit Langem den unschlagbaren Vorteil hat, von den Anwendern auch verstanden zu werden.

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Für häufige Anwendungsfällen, etwa einer Vorbemessung bzw. Abschätzung im Planungsprozess, sind die auf DIN EN ISO 13791 basierenden Verfahren zur Berechnung der sommerlichen Raumtemperaturen bei Gebäuden ohne Anlagentechnik zu ausführlich.
DIN EN ISO 13792 legt die Grundlagen für Verfahren zur vereinfachten Berechnung von sommerlichen Raumtemperaturen bei Gebäuden ohne Anlagentechnik, um eine Überhitzung zu vermeiden bzw. die Erfordernis einer Kühlanlage festzustellen.
Das in DIN EN ISO 13792 vorgestellte Wärmeaufnahmeverfahren wird bereits seit vielen Jahren in der Ingenieurausbildung erfolgreich genutzt.

Die Norm DIN EN ISO 13791 [1] beinhaltet die Grundlagen für die Entwicklung von Berechnungsverfahren zur Bestimmung der Innentemperaturen eines Einzelraums. Anwendungsfälle dieser Berechnungsverfahren sind u.a. die Beurteilung des Risikos einer inneren Überhitzung, die Optimierung von Aspekten der Bauplanung (thermische Masse des Gebäudes, Sonnenschutz, Außenluftwechsel usw.), um die notwendigen Bedingungen zur thermischen Behaglichkeit zu schaffen und die Beurteilung der Notwendigkeit einer maschinellen Kühlung.

Die Norm DIN EN ISO 13792 [2] legt die Eingabedaten fest, die für vereinfachte Berechnungsverfahren zur Bestimmung der täglichen Höchst-, Mittel- und Mindestwerte der operativen Temperatur eines Raumes in der warmen Jahreszeit erforderlich sind:

Definition der Kenngrößen eines Raumes im Entwurfsstadium, um eine Überhitzung im Sommer zu vermeiden
Festlegung, ob der Einbau einer Kühlanlage erforderlich ist oder nicht.

Für eine Reihe von Anwendungsfällen, etwa einer Vorbemessung bzw. Abschätzung im Planungsprozess, sind die auf [1] basierenden Berechnungsverfahren zu ausführlich. Deshalb gibt es eine Reihe von vereinfachten Verfahren, beispielsweise zwei in den informativen Anhängen A und E von [2] (Drei-Knoten-RC-Modell und Wärmeaufnahmeverfahren). Jedes der Berechnungsverfahren hat spezielle Vereinfachungen, Annahmen, Festwerte, besondere Randbedingungen und Gültigkeitsbereiche und kann auch auf vielfältige Weise umgesetzt werden.

Das vorgelegte Wärmeaufnahmeverfahren zeigt eine nahezu vollständige Übereinstimmung mit dem von Petzold schon 1980 dargelegten Lösungsmodell [3], wobei der dort eingeführte Begriff „Admittanz“ (Y) in [2] mit „Wärmeaufnahme“ bei gleichbleibender Dimension [W/(m² K)] bezeichnet wird. Weiterhin ist es bemerkenswert, dass im Gegensatz zu VDI 2078 [4] für den Wärmestrom in den Raum bzw. im Raum grundsätzlich von einer Wärmelast (die mit einem positiven Vorzeichen zu versehen ist) und nicht von einer Kühllast gesprochen wird.

Die in [2] beschriebenen Annahmen entsprechend denen von [3]. Beispielsweise:

der Raum gilt als abgeschlossener Bereich, der durch Bauteile des umbauten Raumes begrenzt ist;
die Raumlufttemperatur ist im gesamten Raum gleichmäßig;
die verschiedenen Oberflächen der Bauteile des umbauten Raumes sind isotherm;
die thermodynamischen Eigenschaften der Baustoffe der Bauteile sind konstant;
die Wärmeleitung ist eindimensional;
Lufträume innerhalb der Bauteile werden als Luftschichten betrachtet, die durch zwei isotherme Oberflächen begrenzt sind;
die mittlere Strahlungstemperatur θr wird als flächengemittelter Mittelwert der Strahlungstemperatur an jeder Innenfläche berechnet;
die operative Temperatur θO wird als arithmetisches Mittel aus Raumlufttemperatur θa bzw. θRAL und mittlerer Strahlungstemperatur θr berechnet;
die Verteilung der Sonnenstrahlung auf den Innenflächen des Raumes ist zeitunabhängig;
die räumliche Verteilung des Strahlungsanteils des Wärmestroms aufgrund innerer Quellen (Wärmebelastungen) ist gleichförmig;
die Wärmeübergangsvorgänge durch langwellige Strahlung und durch Konvektion an jeder Oberfläche werden getrennt betrachtet;
die Maße jedes Bauteils werden an der Innenseite des Bauteils gemessen;
Auswirkungen von Wärmebrücken auf die Wärmeübertragungsvorgänge werden vernachlässigt.

Unterschiede gibt es bei den anzuwendenden Wärmeübergangskoeffizienten, beispielsweise den äußeren Gesamtwärmeübergangskoeffizienten ([4: α_e,g = 17 W/m² K)] und [2: h_e,g = 13,5 W/m² K)]). Somit kann geschlussfolgert werden, dass die auf dem Verfahren von [3] basierenden Vorbemessungsverfahren zum sommerlichen Wärmeschutz, wie in [5] dokumentiert, auch zukünftig weiter oder wieder angewendet werden können und sollten.

Für die Anwendung des vereinfachten Verfahrens finden sich in den informativen Anhängen von [1] und [2] Angaben zu Auslegungswerten u.a. für den (Außen-)Luftwechsel bei natürlicher Lüftung (Fensterlüftung) Abb. 1, die Wärmegewinne durch Personen Abb. 2, die nicht wie in [6] auf die Körperoberfläche bezogen sind Abb. 3 und in [1] die Angaben zur Feuchtebelastung in Wohngebäuden Abb. 4 und bei verschiedenen körperlichen Aktivitäten Abb. 5. •

Mehr Infos zum Thema in den TGAdossiers Regelwerk und Regelwerk-Update: Webcode 723 bzw. 728

Literatur

[1] DIN EN ISO 13791: Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden – Sommerliche Raumtemperaturen bei Gebäuden ohne Anlagentechnik – Allgemeine Kriterien und Validierungsverfahren. Berlin: Beuth Verlag, August 2012

[2] DIN EN ISO 13792: Berechnung von sommerlichen Raumtemperaturen bei Gebäuden ohne Anlagentechnik – vereinfachtes Berechnungsverfahren. Berlin: Beuth Verlag, August 2012

[3] Petzold, K.: Wärmelast. Berlin: Verlag Technik, 2. Auflage, 1980.

[4] VDI 2078 (Entwurf): Berechnung von Kühllast und Raumtemperaturen von Räumen und Gebäuden (VDI-Kühllastregeln). Berlin: Beuth Verlag, März 2012

[5] Trogisch, A: Planungshilfen Lüftungstechnik. Offenbach, Berlin: VDE-Verlag, 4. Auflage, November 2011

[6] 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

Prof. Dr.-Ing. Achim Trogisch

Hochschule für Technik und Wirtschaft Dresden (FH), Fakultät Maschinenbau / Verfahrenstechnik, Lehrgebiet TGA. Telefon (03 51) 4 62 27 89, trogisch@mw.htw-dresden.de, https://www.htw-dresden.de/