Energieeffizienz ist berechenbar

Effizienz bedeutet, den benötigten Energieeinsatz für eine gewünschte Dienstleistung zu verringern. Durch Effizienz wird demnach der Energieverbrauch durch intelligente, innovative Produkte und kluge Prozessführung ersetzt. Diese Produkte und Prozessführung sind technische Lösungen, die nicht nur dazu beitragen die Effizienz zu steigern, sondern oft auch dazu führen die Qualität der gewünschten Dienstleistung verbessern.

Übertragen auf den Gebäudesektor ist die gewünschte Dienstleistung, eine konstante und behagliche Temperatur im Inneren des Gebäudes. Der benötigte Energieeinsatz hierfür, ist die für diesen Anspruch erforderliche Beheizung (oder Kühlung). Betrachten wir einen Wärmestrom, der von innen durch die Gebäudehülle aus dem Bilanzgebiet herausströmt, z.B. mit warmer Luft, die durch ein Fenster entweicht. Ein solcher „Wärmeverlust“ würde zunächst die Innere Energie im Gebäude verringern – die Temperatur würde absinken. Genau dies soll für ein behagliches Wohnen aber vermieden werden. Die unerwünschte Temperaturabsenkung kann nur dadurch vermieden werden, dass die herausgeströmte Energie ersetzt wird: Ein weiterer Wärmestrom muss nun von außen nach innen in Bewegung gesetzt werden, um das Temperaturniveau zu halten.

Es stellt sich die Frage, mit welchen technischen Lösungen die Effizienz nun verbessert werden kann. Um einen genauen Einblick über die Wärmeströme eines konkreten Gebäudes zu bekommen, müssen diese berechnet werden. Die Möglichkeit, bereits während der Planungsphase den Energiebedarf eines Gebäudes verlässlich voraussagen zu können, ist eine grundlegende Voraussetzung um hohe Energieeffizienz erreichen zu können. Eine solche Berechnung ermöglicht die Optimierung einzelner technischer Komponenten, sowie des ganzheitlichen Gebäudekonzeptes. In der Praxis gibt es verschiedene Programme zur Projektierung von Gebäuden, die für verschiedene Zwecke geeignet sind. In diesem Beitrag und in den verschiedenen Unterkapiteln, erfahren Sie mehr zum Thema Energiebilanzierung von Gebäuden und verschiedene Berechnungsmethoden, so zum Beispiel das Passivhaus-Projektierungs-Paket (PHPP).

Genaues Modell: Dynamische Simulation

Bei den ersten Passivhäusern war es noch unverzichtbar, die Gebäude mit zeitlich hochaufgelösten numerischen Simulationen zu projektieren. Diese Berechnung der Energiebilanzen von Gebäuden mit sehr geringem Energieverbrauch ist eine anspruchsvolle Aufgabe. Bestehende Verordnungen und Normen haben sich dabei als zu ungenau erwiesen. Daran hat sich bis heute nichts geändert.

Mit einer Simulation, die sich an den physikalischen Grundgesetzen orientiert, kann das Verhalten der Gebäude aber sehr genau vorausberechnet werden. Das Problem dabei ist nur: Die Eingabedaten für ein instationäres Simulationsprogramm sind sehr umfangreich. Unser Computermodell für das Passivhaus Darmstadt Kranichstein verlangt über 2000 unabhängige Eingabedaten (ohne den Klimadatensatz). Soll die Simulation zuverlässige Ergebnisse liefern, dann müssen diese Daten korrekt und gemäß der tatsächlichen Geometrie des Gebäudes bestimmt werden.

Wie der Vergleich zwischen Simulation und Messergebnissen zeigt, ist dies möglich ([AkkP 5] , vgl. Abb. 1), aber der Aufwand für ein solches Modell ist sehr groß und nicht alle benötigten Daten sind gleich wichtig. Trotzdem können bei ungeeigneten Werten für „unwichtige“ Daten falsche Ergebnisse entstehen.

Abbildung 1:
Vergleich von Messung und Simulation im wissenschaftlich begleiteten Projekt
Passivhaus Darmstadt Kranichstein.


Verwendetes Simulationsprogramm: DYNBIL; siehe Dynamische Simulation;
der Vergleich wurde publiziert in [AkkP 5].


Ein pragmatischerer Weg: Vereinfachte Modelle, klare Eingabedaten

Durch Vergleiche verschiedener Simulationsmodelle konnte das Passivhaus Institut herausfinden, worauf es wirklich ankommt, um auch mit vereinfachten Modellen und vertretbarem Aufwand bei der Datenaufnahme zuverlässige Bilanzen zu erstellen [Feist 1994]. Der Weg zu den zulässigen Vereinfachungen ist in der Publikation [AkkP 13] beschrieben. Es mag überraschen, dass mit einem sehr einfachen Modell, nämlich durch

  • Behandlung des ganzen Hauses als eine Zone
  • Berechnung von Monatsenergiebilanzen statt zeitaufgelöster instationärer Simulation

bereits eine für praktische Planungszwecke ausreichende Genauigkeit erzielt werden kann (vgl. Abb. 2).

Abbildung 2:
Vergleich von Berechnungen mit dynamischer Simulation (DYNBIL)
und Berechnungen mit einer stationären Berechnung
auf Monats- und Jahresbasis (PHPP).


Es gibt eine sehr gute Übereinstimmung der vereinfachten stationären Rechenmethode
mit der dynamischen Simulation -
beim Vergleich ist sorgfältig auf identische Daten bei allen Verfahren zu achten.


Die Vorteile einer weitgehenden Vereinfachung liegen nicht nur in dem übersichtlicheren Berechnungsgang: Sie liegen vor allem

  • im viel geringeren Aufwand für die Datenerhebung (weil nur noch die Daten der Gebäudehülle und der Lüftung ermittelt werden müssen),
  • in den dadurch verringerten Fehlerquellen bei der Erstellung und der leichteren Überprüfbarkeit des Berechnungsgangs (Prüfingenieuren graut es bei der Vorstellung, zur Qualitätssicherung bei einem Gebäude die Richtigkeit eines Eingabedatensatzes für eine numerische Simulation überprüfen zu sollen)
  • in der Konzentration auf die eigentlich wichtigsten Einflussgrößen und
  • in der Einbeziehung wirklich aller dieser wichtigen Einflussgrößen.

Der letzte Punkt sei kurz erläutert: Die meisten hochentwickelten Simulationsprogramme sind zwar bei bestimmten physikalischen Prozessen sehr genau (z.B. bei der instationären Wärmeleitung oder beim Strahlungswärmeaustausch), aber sie vergröbern das Modell an anderer Stelle (z.B. bei der winkelabhängigen Strahlungstransmission durch Verglasungen oder bei der Verschattung der Solarstrahlung durch Balkonüberstände, Laibungen etc.). Wirklich „alle“ relevanten Prozesse „physikalisch angemessen genau“ behandeln zu wollen, das schafft bisher kein einzelnes Programm - und auch künftig würde ein solches Programm ziemlich komplex aufgebaut sein, wodurch wieder zusätzliche Fehlermöglichkeiten entstehen.

Natürlich ist jede Vereinfachung mit einem Verlust an Genauigkeit verbunden - jedes nicht ganz korrekte Eingabedatum in ein komplexes Modell führt aber ebenso zu Genauigkeitsverlusten. Und, pragmatisch betrachtet, ist die mögliche Genauigkeit einer Berechnung beim (wetterabhängigen!) thermischen Verhalten von Gebäuden ohnehin begrenzt. Wir argumentieren hier ausdrücklich nicht gegen den Einsatz von Simulationsprogrammen. Ganz im Gegenteil, für die Wissenschaft ist dies der einzig richtige Weg. Für den praktischen Planungsprozess bei einem bereits bewährten Baukonzept kann aber die Verwendung vereinfachter, an die Planungsaufgabe optimal angepasster Rechenverfahren wegen der geringeren Fehlermöglichkeiten sogar genauer sein.

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Das für den Bau von Passivhäusern in Europa optimal eingestellte Verfahren ist
inzwischen tausendfach bewährt: PHPP – Das Passivhaus Projektierungspaket

(PHPP hier bestellen)

Es wurde an Simulationsrechnungen mit aufwendigen instationären Modellen kalibriert.


Literatur

[AkkP 5] Energiebilanz und Temperaturverhalten; Protokollband Nr. 5 des Arbeitskreises kostengünstige Passivhäuser, 1. Auflage, Passivhaus Institut, Darmstadt 1997

[AkkP 13] Energiebilanzen mit dem Passivhaus Projektierungs Paket; Protokollband Nr. 13 des Arbeitskreises kostengünstige Passivhäuser, 1. Auflage, Passivhaus Institut, Darmstadt 1998

[Feist 1994] Thermische Gebäudesimulation; 1. Auflage, 366 Seiten, 1994 (Link zum Simulationsprogramm DYNBIL: Dynamische Simulation)

[PHPP 2007] Feist, W.; Pfluger, R.; Kaufmann, B.; Schnieders, J.; Kah, O.: Passivhaus Projektierungs Paket 2007, Passivhaus Institut Darmstadt, 2007

Siehe auch


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