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Thermische Gebäudesimulation für zwei Testzonen

Während der Planung des Gebäudes wurden thermische Gebäudesimulationen durchgeführt, um insbesondere das sommerliche Verhalten des Gebäudes mit BKT einschätzen zu können.
Es sollte die Frage beantwortet werden, ob die Innenräume des Gebäudes während eines Sommers mit extremen Außentemperaturen und hohen solaren Lasten auf komfortablen Temperaturen gehalten werden können.

Die wesentlichen Ergebnisse dieser Simulationen werden hier kurz referiert:

  • Die BKT als alleiniges System zur Heizung und Kühlung ist in einem Passivhaus ausreichend.
  • Auch extreme sommerliche Hitzeperioden sind beherrschbar.

Die Betonkerntemperierung (BKT) in Verbindung mit einer moderaten sommerlichen Fensterlüftung und außen liegender Verschattung reicht aus, um die Räume zu beheizen und zu kühlen. Aufgrund der Trittschalldämmung (angenommen wurden 3 cm) spielen dabei die Decken die deutlich größere Rolle. Auch im obersten Geschoss ist also die Geschossdecke mit einer BKT zu versehen. Im Erdgeschoss-Fußboden kann darauf jedoch verzichtet werden.

Die Simulation wurde unter Vernachlässigung der beiden mittleren Geschosse mit erhöhten internen Gewinnen (ca. 250 Wh/(m²d) Mo-Fr) durchgeführt, sie zielt also auf eine Auslegung für den Sommerfall und für erhöhte interne Lasten. Die tagesmittlere Kühllast für die Büroräume alleine
(ohne Verkehrsflächen) beträgt ca. 12 W/m², der jährliche Kühlbedarf liegt bei 15 kWh/(m²a). In der Simulation wird eine wirkungsvolle, außen liegende Verschattung angenommen. Im Wesentlichen muss die BKT daher noch die internen Lasten abführen;
von deren Höhe hängt auch der tatsächliche Kühlenergiebedarf ab.

Simulation: Nutzungsrandbedingungen − extremer Sommer

Um das Temperaturverhalten des Gebäudes während eines extremen Sommers einschätzen zu können, wurde eine Simulation für einen kritischen Ausschnitt des Gebäudes durchgeführt: einer der drei nach Süden orientierten Flügel, der nach Osten, Süden und Westen orientierte Fensterflächen hat (Abbildung 7).


Abbildung 7:
Links: Schematischer Grundriss des gesamten Gebäudes
Rechts: Ansicht des mittleren Südflügels des Gebäudes

Violett hinterlegt sind die für die Sommersimulation ausgewählten
besonders temperaturkritischen Zonen.


Für den Sommerfall sind Probleme am ehesten für das oberste Geschoss (mit zusätzlicher Solarstrahlung auf das Dach) und das Erdgeschoss (es ist keine Betonkerntemperierung in der Kellerdecke vorhanden) zu erwarten;
diese beiden Geschosse wurden in der Simulation betrachtet (vgl. Abbildung 7). Der unbeheizte Keller mit seiner ausgleichend wirkenden Speichermasse wurde in den Simulationen auf der sicheren Seite bleibend durch eine unterseitig gedämmte Zwischendecke ersetzt.


Abbildung 8: Zone DG,
Sonnenschutz ab 23°C konsequent geschlossen, Kühlung ab 26 °C


Abbildung 9: Zone DG,
Sonnenschutz nie geschlossen, Kühlung ab 26 °C


In der Simulation wurden wie erwähnt erhöhte interne Gewinne angenommen (ca. 250 Wh/(m²d) Mo-Fr), um bezüglich des Sommerfalls auf der sicheren Seite zu liegen. Das entspricht einer Leistung von 7,5 W/m² im Wochenmittel. In der Regel sind die internen Lasten bei Büronutzung heute geringer. Sie können durch stromeffiziente Geräte wirtschaftlich deutlich weiter gesenkt werden – darüber sollten die Nutzer informiert werden, dies wurde jedoch bei dieser Simulation nicht berücksichtigt. Angesichts der Größe des Gebäudes ist von einer Vergleichmäßigung der internen Lasten auszugehen, so dass höhere Lasten in einzelnen Gebäudeteilen durch niedrigere Lasten in anderen Bereichen ausgeglichen werden.

Wie man an der tatsächlichen Nutzung und den gemessenen Stromverbräuchen im Gebäude lu-teco jedoch erkennt, ist die Situation in den hoch belegten Zonen (Call-Center) mit den erhöhten Wärmelasten sehr ähnlich zu dem simulierten Fall (vgl. Tabelle 1 bis 3). Siehe dazu auch die Diskussion der Verschattung und der Regelstrategie in den folgenden Abschnitten.

Die Eigenverschattung des Gebäudes, die in einzelnen Flügeln insbesondere die Solarstrahlung der tief stehenden Abend- bzw. Morgensonne reduziert, wurde nicht berücksichtigt.
Auch diesbezüglich liegt die Simulation auf der sicheren Seite.

In den Simulationsrechnungen wird eine wirkungsvolle, außen liegende Verschattung angenommen (Abminderungsfaktor Fc ungefähr 0,18).
Die Simulation geht davon aus, dass diese von April bis September geschlossen ist, falls eine Raumlufttemperatur von 22°C oder eine Einstrahlung von 300 W/m² auf die jeweilige Fassade überschritten wird.

Das Gebäude besitzt eine mechanische Lüftung mit Wärmerückgewinnung (Wärmebereitstellungsgrad 80 %). Damit wird ein 0,6-facher Außenluftwechsel realisiert. Von April bis Oktober wird die Wärmerückgewinnung abgeschaltet, falls die Raumlufttemperatur über 23°C und mindestens 2 K über der Außentemperatur liegt. Die Lüftungsanlage läuft in diesem Fall auch nachts und am Wochenende durch, um einen gewissen Kühleffekt bereitzustellen.


Abbildung 10:
Ganzjähriger Temperaturverlauf für Extremsommer (Simulation)


Klimarandbedingungen

Für die Simulation wurde der sommerliche Extrem-Klimadatensatz des Testreferenzjahrs 12 (Mannheim) des Deutschen Wetterdienstes verwendet. In der wärmsten Periode (2.7.-1.8., vgl. Abbildung 10) wurde die Außentemperatur zusätzlich um 1,5 K angehoben.
Die im Testreferenzjahr enthaltenen Solarstrahlungswerte wurden für diesen Zeitraum durch Werte ersetzt, die bei vollkommen klarem Himmel in dieser Klimaregion, bei dieser geografischen Breite und in dieser Jahreszeit erreicht werden können (Obergrenze für die Einstrahlungswerte).

Betriebsweise der Betonkerntemperierung

Die Temperatur des Betonkerns wurde zunächst nur in Abhängigkeit von der Außentemperatur gesteuert: Die Decke wird bei 18°C Außentemperatur auf 20°C geheizt. Pro Kelvin Außentemperaturabnahme erhöht die Heizung die Temperatur des Betonkerns um 0,2 K. Die Kühlkurve verläuft parallel in 2 K Abstand, um ein Gegeneinanderarbeiten von Heizung und Kühlung zu verhindern.

Die beschriebene, sehr einfache Steuerung reicht aus, die Temperaturen im Komfortbereich zu halten (s.u.), sie besitzt aber mit Sicherheit noch Verbesserungspotential sowohl bzgl. des Erreichens der Behaglichkeitswerte als auch bzgl. einer möglichst energieeffizienten Betriebsweise.

Zweckmäßig ist beispielsweise eine Regelung unter adäquater Berücksichtigung der tatsächlichen Raumtemperaturen, wobei allerdings die hohe thermische Trägheit des Systems beachtet werden muss. Eine Optimierung der Regelung wurde in der Simulation nicht berücksichtigt.

Thermisches Verhalten der Betonkerntemperierung

Unter den beschriebenen, extremen Klimabedingungen ergaben sich die in der Abbildung 10 dargestellten Temperaturverläufe.

Die operativen Raumtemperaturen bleiben ganzjährig zwischen 20 und 25°C. Die Schwankungsbreite der Temperatur von ca. 2 K zwischen Nacht- und Tagbetrieb ist in Gebäuden mit hohen internen Lasten normal.

Deutlich sind der Tages- und der Wochengang der Temperaturen zu erkennen: Montags bis freitags steigen die operativen Temperaturen aufgrund der hohen internen Wärmelasten tagsüber etwas an, während der Nacht sinken sie wieder ab. Während der Arbeitszeit beträgt die Schwankungsbreite der Raumtemperatur dabei etwa 1 K. Am Wochenende treten außer der internen Grundlast nur Solarlasten auf. Die zugehörigen Amplituden sind entsprechend kleiner, und die Raumtemperatur sinkt etwas ab, ohne dass jedoch die Gefahr bestünde, dass der Komfortbereich verlassen wird.

Zum sommerlichen Komfort bleibt insbesondere festzuhalten, dass trotz der extremen Randbedingungen die für die Behaglichkeit maßgeblichen operativen Temperaturen auch in den Extremhitzeperioden nicht über 25°C ansteigen, ein Wert, der im Sommer noch in der Bandbreite der besten Komfortklasse liegt. Die für das Objekt projektierte Betonkerntemperierung weist daher offenbar ausreichend Reserven auch für ein evtl. verändertes, im Sommer noch wärmeres Klima auf.

Fazit zum Heiz- und Kühlkonzept lu-teco (Simulation)

Mit Hilfe der thermischen dynamischen Gebäudesimulation wurde die Leistungsfähigkeit des im Gebäude lu-teco projektierten Kühlsystems untersucht. Die Klimarandbedingungen entsprachen dem Extremsommer des Testreferenzjahrs 12 (Mannheim), wobei in der kritischen Hitzeperiode als Härtetest zusätzlich die Solarstrahlung auf den theoretisch erreichbaren Maximalwert und die Temperatur um weitere 1,5 K erhöht wurden.

Es wurde eine Standard-Büronutzung angesetzt, die relativ hohe interne Lasten von 250 Wh/(m²d) zur Folge hat, das entspricht 10,4 W/m² im Tagesmittel bzw. 7,5 W/m² im Wochenmittel. Ferner wurde angenommen, dass die vorhandene, außen liegende Verschattung im Sommer bei direkter Sonneneinstrahlung und hohen Raumtemperaturen konsequent geschlossen wird und die Wärmerückgewinnung der Lüftungsanlage im Sommerhalbjahr ausgeschaltet wird (bypass), wenn dies für die Entwärmung des Gebäudes vorteilhaft ist.

Es zeigte sich, dass die Kombination aus Betonkerntemperierung und den vorhandenen Erdsonden in Verbindung mit reversiblen Wärmepumpen bereits bei einem sehr einfachen Steuerungsalgorithmus ausreicht, das Gebäude auch unter diesen extremen Witterungsbedingungen komfortabel kühl zu halten.

Es bleibt jedoch anzumerken, dass für die Simulation angenommen wurde, dass alle Bereiche dieselben Randbedingungen haben, d.h. dass insbesondere die internen Wärmelasten überall dieselben sind. Damit kann die einfache Regelung dem Ergebnis nach gut umgehen.

Im realen Gebäude lu-teco stellte sich jedoch heraus, dass verschiedene Zonen sehr unterschiedlich mit internen Wärmelasten beaufschlagt wurden. Die Kühllast in verschiedenen Zonen unterscheidet sich also zum Teil erheblich. Die Folgerung ist, dass die BKT bzw. zumindest die Durchflussmenge in einzelnen Bereichen unabhängig voneinander gesteuert bzw. geregelt werden sollten. Siehe dazu die Diskussion der Temperaturgänge in den folgenden Abschnitten.

Siehe auch

Vorhergehende Abschnitte

Nachfolgende Abschnitte

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