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Kühllastberechnung
im Wandel der Zeit

Die Kühllastberechnung ist ein wichtiger Bestandteil bei der Planung eines Gebäudes. Die Verfahren der Kühllastberechnung haben sich über Jahrzehnte stetig weiterentwickelt. Dieser Artikel ist der Beginn einer Reihe über die Kühllastberechnung, die in naher Zukunft weitergeführt wird. In diesem ersten Teil wird die Historie der Verfahren der Kühllastberechnung nach VDI 2078 beschrieben und auf deren Gemeinsamkeiten und Unterschiede eingegangen. Abschließend werden anhand eines Beispielprojekts die ermittelten Kühllasten der Verfahren gegenübergestellt.


Entwicklung der Kühllastberechnung
Die Berechnung der Kühllast erfolgt in Deutschland nach der VDI 2078. Die Erstausgabe ist bereits im Jahr 1972 erschienen und führte das Handverfahren, später auch als Kurzverfahren bezeichnet, ein (­Abb.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 und das dynamische Verhalten der verwendeten Bauteile hinsichtlich thermischer Speicherung und Strahlungsaustausch wird berücksichtigt. Außerdem entfallen bei der dynamischen Berechnung mit dem 2-Kapazitäten-Modell Beschränkungen bei den Betriebszeiten, die in den Vorgängerrichtlinien fest vorgegeben waren, und es können verschiedenste Anlagenkonzepte berechnet werden. 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: 
• innere Lasten 
• äußere Lasten
• thermische Speicherung der Bauteile


Die inneren Lasten setzen sich zusammen aus den Lasten von Personen, Beleuchtung und Maschinen. 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 außenliegenden 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 (Abb. 2). Die inneren Lasten 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 Abbildung 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.

Fazit
Die Verfahren zur Kühllastberechnung haben sich im Laufe der Zeit weiterentwickelt und nutzen die Gegebenheiten ihrer Zeit. In den 70er-Jahren war nicht daran zu denken, die Kühllast computer­gestützt zu berechnen. Zu der Zeit erfolgten die Berechnungen von Hand und mithilfe eines Rechenschiebers. Heutzutage ist es normal die Berechnungen von einer Software durchführen zu lassen. Die gestiegene Rechenleistung erlaubt es außerdem aufwendigere Modelle zu nutzen und sich dem realen Verhalten des Gebäudes immer besser anzunähern, sodass die Kühllast genauer berechnet werden kann und ein effektiver Betrieb der Kälteanlagen gewährleistet wird. Trotz der aufwendigeren Modelle haben sich für die Durchführung der Berechnung die erforderlichen Angaben kaum verändert. Die inneren Lasten müssen angegeben werden und die Klimadaten werden anhand des Gebäudestandorts ermittelt. Nur die Bauteildaten müssen bei dem dynamischen Verfahren detaillierter eingegeben werden. ­Allerdings muss zur Bestimmung der Bauklasse und Bauteilschwere auch schon beim Kurzverfahren zumindest der grobe Wandaufbau bekannt sein. 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 noch gar nicht eingeflossen!

Im nächsten Teil dieser Themenreihe 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.

Peter Hollenbeck

Titelgrafik: DW art – shutterstock.com