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Dynamische Kühllastberechnung

Präzise thermische Modellierung der Gebäude- und Raumhüllflächen

Dem Anspruch an die physikalisch korrekte Auslegung wird nach ASHRAE mit der Lösung der Fourier’schen Wärmeleitungsgleichung entsprochen. So wird die Wärmeleitungsgleichung der Wände mit ihren geometrischen und thermophysikalischen Eigenschaften unter Berücksichtigung vorheriger Systemzustände (zeitlich verzögerte Wärmespeicherung und -abgabe in Wänden) mithilfe der „State-Space-Method“ (Zustandsraummethode) direkt gelöst. Über diesen Ansatz ergeben sich umfangreiche Möglichkeiten, wie z. B. die Simulation der Raumtemperatur (freischwingende Temperatur), limitierte Kühlleistungsvorgabe und die zeitlich beliebige Vorgabe von inneren und äußeren Lasten. Zudem kann auch die Betriebszeit der Anlage eingeschränkt werden. Neben den inneren Lasten wie Beleuchtung, Maschinen, Geräten und Personen kann auch der Stoffdurchsatz und die Infiltration von Außenluft oder Luftstrom aus benachbarten Räumen berücksichtigt werden. Abhängig von der Temperatur der Luft, die über Infiltration in den Raum eintritt, oder der Temperatur eines anderen Stoffes (Stoffdurchsatz), können diese Faktoren die Kühllast auch positiv beeinflussen, das heißt kühlend wirken. Es gibt zahlreiche Möglichkeiten, die zeitlichen Wärmeströme in der Wand zu bestimmen. Etabliert hat sich in der Gebäudesimulation u. a. die Verwendung der CTF-Koeffizienten (Conduction Transfer Function), die aus der Analyse von Systemen über die Zustandsraummethode bekannt ist. Dabei wird die Wärmeleitungsgleichung der Wand in ein Wärmeleitungs- Differenzialgleichungssystem überführt und mit einem fest definierten Zeitschritt gelöst. Aus der Zustandsraummethode resultiert nach Umformungen eine Reihe von endlichen CTF-Koeffizienten. Diese Koeffizienten ermöglichen die Berechnung der aktuellen spezifischen Wärmeströme und der aktuellen Temperaturen auf der Innen- und Außenseite jeder Hüllfläche auf Basis der zurückliegenden Temperaturen und Wärmeströme der vergangen Stunden. Je schwerer die Wand ist, desto mehr Koeffizienten müssen aus der Vergangenheit berücksichtigt werden.

Das Kühllastverfahren nach ASHRAE ermöglicht es, für jede einzelne Hüllfläche und jeden Zeitschritt die Oberflächentemperaturen (innen und außen) auszugeben.

Das thermische Verhalten im Raum hängt dabei stark von seinen Hüllflächen ab. Die Hüllflächen können mit den physikalischen Materialeigenschaften (Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität, Dichte, Geometrie, thermooptische Eigenschaften) versehen werden. Auf beiden Seiten der Wand werden zeitlich variable Lasten in die Wand induziert. Diese sind Lufttemperaturen und Sonneneinstrahlung, innerer Wärmestrahlungs-Austausch sowie konvektive Vorgänge als Einflussfaktoren.

Kurzwellige solare Einstrahlung

Im Gegensatz zur Heizlast sind bei der Ermittlung der Kühllast auch im Raum liegende Bauteile relevant (thermische Raumschwere). Alle Hüllflächen des Raumes tragen dazu bei, den radiativen Teil der Strahlung aufzunehmen und die aufgenommene und gespeicherte Energie dann zeitverzögert wieder abzugeben. Über den Standort und seine Wetterdaten werden die direkten und diffusen Strahlungsmengen ermittelt, die auf die Hüllflächen einwirken und über die Fenster in den Raum eintreten. Bei Fenstern werden zusätzlich der Gesamtenergiedurchlassgrad sowie die innere und äußere Verschattung berücksichtigt. Die Wetterdaten werden von einer Abteilung des US Department of Energy (DOE) bereitgestellt. So stehen die Daten von rund 2100 Wetterstationen aller Kontinente bereit. In den Wetterdaten sind neben dem Cooling- und Heating-Design-Day viele weitere Parameter für eine physikalische Betrachtung enthalten (wie z. B. Koordinaten, Luftdruck, Außenluft- und Taupunkttemperaturen, optische Tiefe der Atmosphäre). Die solare Einstrahlung wird ausgehend von der Solarkonstanten von 1367 W/m² bis zur Oberfläche durch folgende Faktoren beeinflusst (Bild 4): Aufgrund des veränderlichen Abstandes der Erde zur Sonne wird das Ergebnis um bis zu +/- 3,3 % je nach Jahrestag angepasst. Die Sonnenstrahlung unterteilt sich in direkte Strahlung, diffuse Strahlung der Atmosphäre und diffuse Bodenreflektion. Hierbei spielen Sonnenhöhe und Azimuth sowie Neigung und Ausrichtung der Gebäudeteile eine Rolle. Zudem wird die optische Tiefe für diffuse und direkte Strahlung zur Reduzierung der Strahlung bei Transmission durch die Atmosphärenschichten bis zum Erdboden verwendet. Da die solare Strahlung einen wesentlichen Beitrag zur Wärmeeinbringung in einen Raum darstellt, wurde ein Editor für äußere Fenster-Verschattungen entwickelt. Hiermit können auf verschiedene Art Verschattungssituationen erstellt und den verschiedenen Raumfenstern zugewiesen werden. Diese Verschattungskonfigurationen werden dreidimensional mit einer Sonnenstrahlensimulation dargestellt und jede Veränderung ist im Zeitraffer sofort visuell nachvollziehbar. Für beliebige außenliegende Verschattungselemente ermittelt das Programm je Zeitschritt den Schattenanteil über ein Raytracing-Modell. Die thermooptischen Eigenschaften wie Bodenreflektion, Absorption und g-Wert bestimmen dabei die Aufnahme der solaren Strahlungswärme in die Hüllflächen. Bei der innenliegenden Verschattung wird zudem die Steuerung mit einem Globalstrahlungssensor berücksichtigt.

Langwelliges Strahlungsmodell

Das Strahlungsmodell im Raum wird mittels Radiosity-Matrizen-Verfahren beschrieben. Dabei spielt die Emission, Absorption und Reflektion und die wechselseitige Sichtbarkeit der Flächen innerhalb des Raumes eine entscheidende Rolle. Aufgrund des wirklichkeitsnahen Strahlungsmodells liegen die Bilanzgrenzen der Wände jeweils auf der inneren und äußeren Oberfläche. Der physikalische Ansatz erlaubt präzise Aussagen bezüglich der Temperaturentwicklung im Raum. Bei vielen anderen Kühllast-Verfahren wird der Strahlungswärmeverlust mittels mathematischer Linearisierung vereinfacht betrachtet. Das führt dazu, dass der Wärmeübergangskoeffizient nur bei einer Temperatur nahe 20 °C aussagekräftig ist. Die Abweichung der Wärmeströme zwischen den beiden Ansätzen wird umso höher, je mehr sich die Oberflächentemperaturen von 20 °C entfernen, z. B. im Fall der freischwingenden Temperatur. Die äußeren Flächen sehen die Umgebung entsprechend ihrer Neigung. Der Sichtfaktor teilt sich auf in einen Anteil, der den Erdboden und einen Anteil, der den Himmel sieht. Weiterhin hängt der Strahlungsaustausch von dem Emissionskoeffizienten der Wand ab. Dabei wird die Erdboden-Oberflächentemperatur mit der Lufttemperatur gleichgesetzt. Die langwellige Wärmestrahlung außerhalb und innerhalb des Gebäudes wird mittels des diffusen Strahlungsmodells nach Stefan-Boltzmann berechnet.

Funktionen

Simulierte Verschattung

Mit dem Verschattungseditor können vom einfachen Überhang über komplexe Außen-Jalousien verschiedenste Verschattungen abgebildet und deren Effektivität im Zeitraffer überprüft werden.

Nutzungsprofile anlegen

Nutzungsprofile können sowohl auf Projektebene stattfinden als auch für jedes Geschoss und jeden Raum definiert werden.

Visualisierung der Ergebnisse

Die Ergebnisse der Kühllastberechnung können detailliert visualisiert werden und zeigen die Lasten im 24-Stunden-Profil an.

Ebenen definieren

Über die gewohnte Technik von Building hinaus, lassen sich pro Bauabschnitt, Geschoss und Wohnung Nutzungs- und Temperaturprofile anlegen, auf die vom Raum aus zurückgegriffen werden kann.

Hüllflächen und Innere Lasten

Pro Raum lassen sich detailliert Hüllflächen und Innere Lasten definieren. Die Hüllflächen in Form von Wänden und Fenstern mit ihren jeweiligen physikalischen Eigenschaften bestimmen das Speicher- und Abgabevermögen und -Zeitpunkt von Wärmeenergie im Raum. Die inneren Lasten können detailliert mit jeweils eigenen Lastprofilen versehen und mit dem genauen Verhältnis von radiativen zu konvektiven Wärmeabgaben definiert werden.

Projektdaten und Rahmenbedingungen

Der erste Schritt eines Projekts: die Rahmenbedingungen definieren. Hier lassen sich Orts- und Klimadaten sowie das globale Nutzungs- und Temperaturprofil anlegen und weitere allgemeine Einstellungen vornehmen.

Geprüfter Bauteilkatalog

Die detaillierte Auslegung von Systemkomponenten wie Heizkörpern und Flächenheiz- und -kühlsystemen, Wohnungslüftungsanlagen, etc. auf Basis realer Produkte führt zu vollständigen Stücklisten für die Erstellung von Leistungsverzeichnissen.

Direkte CAD-Verbindung

Die Verbindung zu AutoCAD, CADinside und REVIT ermöglicht die direkte Übernahme der Ergebnisse in die Zeichnung. Die ausgelegten Produkte wie Heizkörper oder Flächenheizung werden automatisch an das Zeichenprogramm geliefert und dort grafisch umgesetzt. Auf diese Weise können Sie sowohl die Berechnung auf Grundlage ihrer Zeichnung durchführen, als auch aus der Berechnung die ausgelegten Produkte in die Zeichnung übertragen.

Flexible Gebäudeerfassung

Die Erfassung des Gebäudes erfolgt raumweise und kann nach Belieben tabellarisch, CAD-gestützt oder über den liNear Desktop AddOn Building Manager automatisiert erfolgen. In Autodesk REVIT entworfene Gebäudemodelle können über die Schnittstelle Building AddOn Revit Interface direkt eingelesen werden. Der manuelle Erfassungsaufwand entfällt!

Vollständige U-Wert-Berechnung

Der U-Wert kann einfach berechnet und nachvollzogen werden. Der Temperaturverlauf kann durch die Abbildung des Wandaufbaus auch grafisch dargestellt werden. Bei Änderungen der U-Werte werden die entsprechenden Berechnungen automatisch aktualisiert.

Ein Modell für alle Nachweise

Ob EnEV, Wohnungslüftung, Heiz- oder Kühlast: liNear Building ist das passende Programm. Ein Datenmodell für alle Module ermöglicht eine enorme Zeitersparnis, mühsame Doppeleingaben sind Geschichte.

Was ist ASHRAE?

Die „American Society of Heating, Refrigerating & Air-Conditioning Engineers“, kurz ASHRAE, ist ein Ingenieurverband ähnlich dem VDI. Dieser hat es sich zur Aufgabe gemacht, die Entwicklung im Bereich der Gebäudetechnik und -systeme, deren Nachhaltigkeit, Energieeffizienz und Luftqualität in Bezug auf Heizen, Kühlen und Luftklimatechnik für die Industrie voranzubringen.

ASHRAE Webseite
ASHRAE Publikationen

liNear hat die Entwicklung des dynamischen Kühllastberechnungsverfahrens mit dem Ansatz nach ASHRAE realisiert, um den zahlreichen Anfragen aus internationalen Märkten eine entsprechende Softwarelösung zu bieten. Zudem kann dieses Berechnungsverfahren auch in Deutschland als alternativ zur VDI 2078 eingesetzt werden. Das Kühllastverfahren nach ASHRAE wird bereits in Gebäudesimulations-Programmen wie beispielsweise TRNSYS“ und EnergyPlus eingesetzt. Vergleichsmessungen zeigen, dass dieses Modell mit der Wirklichkeit korreliert. Das wurde u. a. in dem ASHRAE Research Project RP 1117 mittels Messungen anhand realer Räume nachgewiesen.


Einsatzmöglichkeiten

Der umfassende Simulationsansatz der dynamischen Kühllastberechnung nach ASHRAE ermöglicht valide Ergebnisse auch in besonderen Anwendungsfällen, z. B.:

  • Bestimmung der Kühllast mit limitierter Kühlleistung (z. B. BKT-Flächenkühlung),
  • Bestimmung der freischwingenden Temperatur (keine Kühlleistung),
  • zeitliche Limitierung des Anlagenbetriebs durch Nutzungsprofil,
  • Nachtkühlung durch die Zuführung von Außenluft,
  • Ermittlung der Oberflächentemperaturen jeder Hüllfläche,
  • Fensterverschattungssimulationen,
  • aktive Fensterverschattung über externen Globalstrahlungssensor,
  • Vereinbarkeit von zeitlich individuellen inneren Lasten über Nutzungsprofile.

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- Texthandbuch Sanitär 2017-04
- Kontrollierte Wohnraumlüftung mit Lüftungskonzept 2017-01

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Die Neuheiten 2017 – Signo, Credo plus und therm-x2 Flachheizkörper Vplus wurden im Heizkörperdatensatz ergänzt.

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Heizkörper (VDI 3805 Blatt 6) 2017-07

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