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VDI 2078 oder ASHRAE?

VDI 2078 oder ASHRAE - Kühllastberechnung im Vergleich

Die Auslegung von Systemen zur Klimatisierung von Innenräumen und Gebäuden erfolgt auf Grundlage einer Kühllastberechnung. In der Praxis ist diese nach dem ASHRAE Verfahren und nach VDI 2078 anerkannt. Dieser Artikel vergleicht beide Kühllastberechnungen und soll Ihnen eine Hilfestellung bei der Wahl des geeigneten Verfahrens geben.

Die Kühllastberechnung soll einen realistischen Leistungsbedarf der einzelnen Räume ermitteln, um einen energetisch und wirtschaftlichen Betrieb des Klimatisierungssystems zu gewährleisten. Das gewählte Berechnungsverfahren soll dabei das Verhalten des Gebäudes und der Umgebungsbedingungen möglichst realitätsnah widerspiegeln. Gleichzeitig soll das Verfahren kurze Rechenzeiten und einen geringen Aufwand für die Eingabe haben.

Die Anzahl der Einflussgrößen auf die Kühllast ist größer als bei der Heizlastberechnung. Für die Heizlastberechnung ist es ausreichend die Außentemperatur und die Struktur des Gebäudes mit den Wärmewiderständen anzugeben. Für die Kühllastberechnung müssen zusätzlich die solare Einstrahlung, die inneren Lasten und die Speicherfähigkeit der Bauteile berücksichtigt werden. Um eine realistische Kühllast zu berechnen sind dynamische Berechnungsverfahren Stand der Technik. Erst mit dynamischen Verfahren verändern sich die Randbedingungen über die Zeit und die thermische Trägheit und Speicherfähigkeit der Gebäude werden überhaupt nachgebildet. Sowohl das Berechnungsverfahren nach ASHRAE als auch das nach VDI 2078 nutzen diesen dynamischen Ansatz. Die hierfür benötigten Eingabedaten sind größtenteils identisch. Prinzipiell lassen sich die Eingabedaten in die Kategorien StrukturLage und Nutzung des Gebäudes gliedern.

In die Kategorie Struktur fallen Eingaben wie:

  • die geometrischen Abmessungen der Räume und dessen Hüllflächen
  • der zugehörige Schichtaufbau mit den bauphysikalischen Größen Wärmeleitfähigkeit, spezifische Wärmekapazität und Dichte der verarbeiteten Materialien.

Die Lage des Gebäudes beinhaltet dagegen:

  • die Ausrichtung des Gebäudes in Himmelsrichtung
  • die geografische Lage (Längen- und Breitengrad) für die Berechnung der solaren Einstrahlung
  • mögliche Verschattung aufgrund von herausragenden Gebäudeteilen (Sonnenschutz, Balkone) und von Nebengebäuden
  • meteorologischen Daten für die Randbedingungen

Zur Kategorie Nutzung des Gebäudes gehören die Eingaben:

  • zeitlicher Verlauf der inneren Lasten (Nutzungsprofile)
  • Anzahl Personen im Raum
  • der Aktivitätsgrad dieser Personen
  • die Wärmeleistung von Beleuchtung, Geräten und Maschinen.

Gegenüber dem ASHRAE Verfahren unterscheidet die VDI 2078 zusätzlich zwischen Arbeitstagen (AT) und Nichtarbeitstagen (NAT). Aus diesem Grund müssen bei der VDI 2078 die Nutzungsprofile der inneren Lasten für beide Arten von Tagen abgestimmt und erstellt werden. Die größtenteils identischen Eingabedaten für die Berechnungsverfahren ermöglichen einen einfachen Wechsel bzw. Vergleich eben dieser, vorausgesetzt, die zugrundeliegende Software unterstützt beide Verfahren. Trotz der gleichen Eingabedaten können die Kühllastberechnungen nach ASHRAE und VDI 2078 unterschiedliche Ergebnisse liefern. Gründe hierfür können der unterschiedlichen Ansatz der Modellierung der Wärmeübertragungsprozesse, des Auslegungsverfahrens und die Erstellung der Daten des Auslegungsklimas sein.

Raum-Model

Das Verfahren nach ASHRAE modelliert den Raum mit der „heat balance method“. Die Methode beschreibt die Wärmeübertragungsprozesse im Raum und der Hüllflächen mit der äußeren Umgebung (siehe Abbildung 1). Das Modell berechnet die Oberflächentemperatur auf beiden Seiten der Hüllfläche aufgrund von Konvektion und Wärmestrahlung. Die Wärmeleitung durch die Hüllfläche wird mit dem aus der Regelungstechnik etablierten Verfahren „conduction transfer function (CTF)“ gelöst. Die VDI 2078 überführt die thermischen Prozesse in eine elektrische Ersatzschaltung. Die Ersatzschaltung wird als 2-Kapazitäten-Modell bezeichnet (siehe Abbildung 2). Alle Hüllflächen die keine oder geringe Temperaturunterschiede zu Nachbarräumen aufweisen (adiabate Innenwände[1]) werden in einer Kapazität zusammengefasst und alle Hüllflächen die definierte rückseitige Temperaturen aufweisen (nicht-adiabate Außenwände[2]) werden zu der zweiten Kapazität zusammengefasst. Es stehen sich also 2 Hüllflächen im Rechenkern gegenüber, die im gemittelten Wärme- und Strahlungsaustausch stehen. Trotz des unterschiedlichen Ansatzes der Raummodellierung liefern beide Verfahren hinreichend gute Ergebnisse, welche in verschiedenen Validierungen nachgewiesen wurden.

Auslegungsverfahren

Der Verlauf der Außentemperaturen eines Tages entspricht bei der ASHRAE einem festgelegten Tagesgang, der mit der maximalen Außentemperatur und der Temperaturschwankung an dem Auslegungsort angepasst wird. Die VDI 2078 verwendet zur Modellierung des Temperaturverlaufs eine Sinusfunktion, deren Maximum um 16 Uhr liegt. In Abbildung 3 werden die Tagesverläufe der beiden Verfahren für einen Tag mit identischen Parametern dargestellt. Der Tagesgang der ASHRAE hat in den Morgenstunden einen stärkeren Anstieg gegenüber der Sinusfunktion und erreicht die maximale Temperatur um 14 Uhr und damit zwei Stunden eher als bei der Berechnung nach VDI. Nicht nur die Tagesverläufe der beiden Verfahren unterscheiden sich, sondern das Auslegungsverfahren an sich. Die ASHRAE berechnet die Kühllast für den 21. Tag des wärmsten Monats. Die Berechnung des Auslegungstages wird so lange wiederholt bis das System eingeschwungen ist und sich keine Änderung zum vorherigen Berechnungsdurchlauf ergeben. Die VDI 2078 definiert für die Kühllastberechnung eine Auslegungsperiode (CDP), die mit dem Auslegungstag (CDD) endet. Die Auslegungsperiode umfasst 19 Tage und baut sich aus einer vierzehntägigen Vorberechnung, der Anlaufrechnung von vier Tagen und dem Auslegungstag auf. Während der Vorberechnung wird das Außenklima mit der solaren Einstrahlung und der Außentemperatur eines bewölkten Tages simuliert. In der Anlaufrechnung steigen die Mittelwerte und Amplitude der Außentemperatur an und nähern sich den Werten des Auslegungstags an. Die Sonneneinstrahlung der Anlaufrechnung und des Auslegungstags entspricht einem sonnigen Tag in der Mitte des Auslegungsmonats. Während der Auslegungsperiode wechseln sich Arbeitstage und Nichtarbeitstage ab, wobei der Auslegungstag ein Arbeitstag sein muss. Zur Verdeutlichung der Auslegungsperiode ist in Abbildung 4 der Temperaturverlauf und die Abfolge der Arbeits- und Nichtarbeitstage einer Auslegungsperiode mit fünf Arbeitstagen in der Woche dargestellt. Die Kühllastberechnung endet mit dem Auslegungstag. Es wird also angenommen, dass die Außentemperaturen wieder abnehmen bzw. die Bedeckung zunimmt und die Kühllast somit sinkt. Von der kurzen Hitzeperiode nach der Auslegungsperiode profitieren vor allem schwere Gebäude, für die einen geringere Kühllast berechnet wird gegenüber einem eingeschwungenen Zustand.

Auslegungsklimadaten

Unabhängig von dem Kühllastverfahren gilt, dass zur Ermittlung einer Kühllast stets ein auf meteorologischen Daten basierendes Modellklima als Randbedingung angesetzt wird. Zur Auslegung wird kein gemitteltes Durchschnitts-Klima aus vergangenen Jahren wie z. B. ein Testreferenzjahr (TRY), sondern ein extremes Auslegungsklima mit einer geringen Häufigkeitsüberschreitung verwendet. Die VDI 2078 teilt Deutschland in vier Kühllastzonen auf, deren Einteilung auf einer Clusteranalyse von 250 Wetterstationen aus dem Jahr 1984 beruht. Für jede Kühllastzone werden auf Basis der Wetterdaten von 1991 bis 2005 für jeden Monat von April bis September Tagesmitteltemperaturen und die Amplitude für einen bedeckten und einen sonnigen Tag angegeben. In allen Kühllastzonen werden die maximalen Auslegungstemperaturen im Juli erreicht. Die VDI 2078 sieht eine Korrektur für Großstadtzentren vor. Die Tagesmitteltemperaturen des sonnigen Tags werden durch die Korrektur erhöht und die Amplitude verringert. Die Klimadaten des ASHRAE Verfahrens beziehen sich auf jeweils eine Wetterstation und nicht wie bei der VDI auf Regionen. Die Auslegungstemperatur und die Schwankung werden mit Wetterdaten einer Zeitspanne von in der Regel 25 Jahren (mindestens 8 Jahre) ermittelt. Der Nutzer kann zwischen den Häufigkeitsverteilungen 0,4 %, 1 % und 2 % für ein Jahr oder einen Monat (Jan.–Dez.) wählen. Der Prozentsatz der Häufigkeitsverteilung gibt die Anzahl der Stunden im Betrachtungszeitraum an, an dem eine höhere Temperaturen als die angegebene Temperatur herrschen. In einem Jahr liegen die Temperaturen 34 Stunden höher als bei dem Wert der Häufigkeitsverteilung 0,4 %. Bei der gleichen Häufigkeitsverteilung sind es in einem Monat drei Stunden. Die monatliche Häufigkeitsverteilung des wärmsten Monats wird in Abhängigkeit vom Standort in der Regel über der Temperatur des Jahreswertes liegen. Die Temperaturschwankung des Auslegungstags ist unabhängig von der Häufigkeitsverteilung und wird für jeden Monat angegeben. Insgesamt sind im ASHRAE Handbook of Fundamentals über 6000 Datensätze zur Kühllastberechnung für Standorte in der ganzen Welt enthalten, davon auch über 120 Standortdaten aus Deutschland.

In Tabelle 1 werden die maximalen Auslegungstemperaturen und die Temperaturschwankungen am Tag für vier Städte in Deutschland nach VDI 2078 und der ASHRAE dargestellt. Der Vergleich der beiden Verfahren zeigt, dass die Auslegungstemperaturen nach VDI 2078 um 3 °C höher liegen als die Jahreswerte der Häufigkeitsverteilung von 0,4 % der ASHRAE. Die Temperaturschwankungen der ASHRAE sind außerdem größer als bei der Berechnung nach VDI. Die Einflussgröße der unterschiedlichen Auslegungsdaten auf die berechnete Kühllast kann aus theoretischen Überlegungen nur schwer abgeschätzt werden. Die Kühllast hängt von der Gebäudestruktur des jeweiligen Projekts ab (schweres oder leichtes Gebäude) und die Auslegungsverfahren unterscheiden sich deutlich. Die ASHRAE berechnet die Kühllast für einen eingeschwungenen Zustand. Bei der Auslegungsperiode der VDI 2078 hingegen können die höheren Außentemperaturen noch nicht durch die Wand durchgedrungen sein und die Kühllast nur teilweise beeinflussen.  

Fazit

Beide Kühlastberechnungsverfahren habe ihre Berechtigung und werden in der Praxis eingesetzt. Aus den dargestellten Unterschieden der Verfahren ergibt sich für bestimmte Bedingungen eine bevorzugte Wahl eines Verfahrens. So beruht die Modellierung der Wärmeübertragungsprozesse der ASHRAE auf den physikalischen Prozessen und eignet sich besser für Spezialfälle. Aufgrund des Zusammenfassen der Hüllflächen in Kapazitäten für Innen- und Außenwände sollten bei der VDI 2078 Situationen vermieden werden, bei denen alle Hüllflächen in einer Kapazität zusammengefasst werden. In so einem Fall wird der Strahlungsaustausch zwischen den Flächen unterbunden. Beispiele hierfür sind Innenräume ohne Fenster oder eine Vorstandsetage auf dem Dach eines Gebäudes, die aus einem Raum besteht. Sobald der Standort des Gebäudes außerhalb von Deutschland liegt, kann nur das Verfahren nach ASHRAE angewendet werden. Die mit VDI 2078 gelieferten Klimadaten sind ausschließlich für Deutschland. Durch die Unterscheidung zwischen Arbeits- und Nichtarbeitstagen bietet die Auslegungsperiode den Vorteil eine realistischere Kühllast für Gebäuden zu berechnen, die nur wenige Arbeitstage (AT < 4) in der Woche genutzt werden, weil in diesem Fall beim Wechsel von NAT zu AT die thermische Speicherfähigkeit des Gebäudes mehr zum Tragen kommt.

Die Wahl für ein Verfahren sollte in Abstimmung mit dem Bauherrn getroffen werden und schriftlich vereinbart werden. Hierfür sollten dem Bauherrn die Unterschiede zwischen den Verfahren erläutert und auf die Auswirkungen hingewiesen werden. Grundsätzlich gilt bei den dynamischen Kühllastberechnungen, dass eine hohe Sorgfalt des Anwenders bei der Eingabe der Annahmen erforderlich ist. Wenn die Annahmen oder die Eingabe nicht den späteren tatsächlichen Bedingungen entsprechen, sind die Abweichungen der Kühllast viel größer als aufgrund der Wahl des Berechnungsverfahrens.

liNear Building Cooling Dynamic zur Berechnung nach beiden Verfahren

Mit dem Berechnungsmodul liNear Building Cooling Dynamic der liNear GmbH können Sie zwischen beiden Verfahren wählen und mit der einfachen und schnellen Eingabe der Daten berechnen Sie ohne großen Aufwand die Kühllast. Das Programm führt Sie Schritt für Schritt durch die Eingabemasken und ermöglicht Ihnen somit die durchaus komplexen Eingaben einfach durchzuführen (siehe Abbildung 5 und Abbildung 6). Die automatische Übernahme der Gebäudedaten aus dem CAD (Autodesk Revit, AutoCAD oder liNear CADinside) erspart Ihnen die tabellarische Erfassung der Architektur und Sie können umgehend mit den für die Kühllast zusätzlich erforderlichen Eingaben starten. Durch den einfachen Wechsel des Verfahrens können die Ergebnisse quasi per Knopfdruck miteinander verglichen werden. Ein aufgezeichnetes Webinar zur Berechnung der dynamischen Kühllast mit liNear finden Sie unter www.linear.eu/webinare. 


[1] VDI 6007-1: Flächen ohne Temperaturunterschied werden als „Innenwand“ bezeichnet

[2] VDI 6007-1: Flächen mit rückseitig definierter Temperatur werden als „Außenwand“ bezeichnet

Abb_1_heat_balance_method_new.png
Bild 1: „Heat balance method“ nach dem ASHRAE-Verfahren.
Abb_2_2K-Modell.png
Bild 2: Vollständiges Ersatzschaltbild des Raummodells nach VDI 2078.
Abb_3_Tagesgang.png
Bild 3: Vergleich der Tagestemperaturen nach ASHRAE und VDI 2078.
Abb_4_CDP.png
Bild 4: Temperaturverlauf und Abfolge der Arbeitstage (AT) und Nichtarbeitstage (NAT) der Auslegungsperiode nach VDI 2078.
Abb_5_16052018_Artikel_dyn_Kuehllast_Auswahl_Berechnungsverfahren.png
Auswahl des Berechnungsverfahrens innerhalb der Software „liNear Building Cooling Dynamic“.
Abb_6_16052018_Artikel_dyn_Kuehllast_Eingabeoberflaeche.png
Benutzeroberfläche (Projektebene) in liNear Building Cooling Dynamic
Tabelle.PNG
Tabelle 1: Vergleich der maximalen Außentemperatur max und der Temperaturschwankung Δ nach VDI 2078 und ASHRAE für vier deutsche Städte.