Diplomarbeit II - ZUB

Universität – Gesamthochschule Kassel
ZUB - Zentrum für Umweltgerechtes Bauen
Universität Gesamthochschule Kassel
Fachgebiete Bauphysik / TGA, Gottschalkstr. 28, 34109 Kassel
GhK
Diplomarbeit II
Thermisch aktivierte,
wasserdurchströmte
Betondecken –
Rechnerische Simulation zur
Untersuchung ausgewählter
Regelungsstrategien am
Beispiel eines Büroraumes
Verfasserin
Angelika Kammer
09.01.2002
1

Thermisch aktivierte, wasserdurchströmte
Betondecken
Rechnerische Simulation zur Untersuchung
ausgewählter Regelungsstrategien am Beispiel
eines Büroraumes
Diplomarbeit II
vorgelegt von
Angelika Kammer
Fachgebiet Bauphysik
Universität Gesamthochschule
Kassel
Kassel, im Januar 2002
Prüfer: 1. Prof. Dr.-Ing. G. Hauser
2. Prof. Dipl.-Ing. B. Stolzenberg

INHALT 1
1 Einleitung...................................................................................3
2 Vorstellung des Simulationsobjektes .....................................4
3 Vorstellung der verwendeten Simulationssoftware IDA-ICE 7
3.1 Allgemeines ......................................................................................... 7
3.2 Ausgewählte Details aus der ICE-Applikation ...................................... 8
3.2.1 Konvektiver Wärmeübergangskoeffizient................................................................ 8
3.2.2 Operative Temperatur ............................................................................................. 9
3.2.3 P-Regler „Psmooth“............................................................................................... 10
4 Modellierung............................................................................11
4.1 Geometrie und Bauteile ..................................................................... 11
4.2 Meteorologie und Nutzung ................................................................. 17
4.3 Anbindung Büroraum – Flur ............................................................... 24
4.3.1 Einfluss des Flures auf den Büroraum am Beispiel Heizen mit Deckensystem.... 27
4.4 Heizungsmodul – Regelung über den Massenstrom.......................... 30
4.5 Heizungsmodul – Plausibilitätsprüfung und Ergebnisvergleich mit
Simulationsprogramm HAUSer .......................................................... 33
4.6 Bodenplattenkühlung ......................................................................... 39
5 Regelungsstrategien ..............................................................42
5.1 Grundvariationen und Bewertungskriterien ........................................ 42
5.2 Heizfall ............................................................................................... 46
5.2.1 Außenlufttemperaturabhängige Heizkurve............................................................ 46
5.2.2 Aufheiz- und Abkühlverhalten der untersuchten Systeme .................................... 47

INHALT 2
5.2.3 Untersuchte Strategien.......................................................................................... 50
5.2.4 Rechenergebnisse und Auswertung ..................................................................... 51
5.3 Kühlfall ............................................................................................... 61
5.3.1 Untersuchte Strategien.......................................................................................... 61
5.3.2 Abkühl- und Aufwärmverhalten der untersuchten Systeme.................................. 63
5.4 Rechenergebnisse und Auswertung .................................................. 65
6 Zusammenfassung .................................................................80
7 Abbildungsverzeichnis...........................................................84
8 Tabellenverzeichnis................................................................86
9 Literatur ...................................................................................87
Anhang

1 Einleitung
EINLEITUNG 3
Die Minderung des Energieverbrauchs von Gebäuden ist unzweifelhaft eine
Notwendigkeit. Sie ist jedoch schwer vereinbar mit dem Wunsch nach möglichst
optimaler thermischer Raumkonditionierung. Eine Alternative, die beiden Ansprüchen
entgegenkommt, ist der Einsatz thermisch aktivierter Bauteile zur
Heizung und Kühlung eines Gebäudes.
Bei diesem System werden wasserdurchströmte Rohrregister in Speicherbauteile,
vorzugsweise Massivdecken, eingebracht. Im Heizfall wird dem Bauteil
durch das Wasser Wärmeenergie zugeführt und über das Bauteil großflächig an
den Raum abgegeben. Im Kühlfall erfolgt die Wärmeabfuhr aus dem Raum auf
umgekehrtem Wege.
Thermisch behagliche Raumkonditionen können nur bei relativ geringen Temperaturunterschieden
zwischen Umschließungsflächen und Raumluft
eingehalten werden. Durch die Großflächigkeit der thermisch aktivierten Bauteile
kann jedoch auch bei geringen Temperaturdifferenzen ein Wärmestrom
ausgetauscht werden, der für moderne Gebäude ausreicht, um angenehme
Raumtemperaturen zu liefern. Mit modern ist hier insbesondere eine wärmeschutztechnisch
sehr gute Qualität der Gebäudehülle inklusive eines wirksamen
Sonnenschutzes gemeint.
Weiterhin erlauben die geringen Temperaturdifferenzen die Nutzung natürlicher
Kältequellen, wie beispielsweise des Erdreichs, zur sommerlichen Kühlung des
Gebäudes.
Diese Heiz-/Kühlsysteme verhalten sich aufgrund der großen thermisch aktivierten
Masse verhältnismäßig träge. Temperaturänderungen der Bauteile und
darüber der Raumtemperatur sind nur in begrenztem Ausmaß und mit entsprechenden
Angleichzeiten möglich. In dieser Arbeit werden für derartige Systeme
Variantenuntersuchungen zur Herleitung geeigneter Regelungsstrategien
durchgeführt.
Die Untersuchungen werden rechnerisch mit Hilfe des dynamischen Simulationsprogramms
IDA ICE durchgeführt.
Für die Berechnungen wird exemplarisch ein Büroraum eines bestehenden Gebäudes
herangezogen, das mit umfangreicher Messtechnik ausgestattet ist. So
könnte ein Grossteil der untersuchten Varianten später im Realgebäude umgesetzt,
und Rechenergebnisse mit Messwerten verglichen werden.

VORSTELLUNG DES SIMULATIONSOBJEKTS 4
2 Vorstellung des Simulationsobjektes
Für die Simulationsrechnungen im Rahmen dieser Arbeit wird ein repräsentativer
Büroraum in einem bereits bestehenden Kasseler Gebäude herangezogen.
Es handelt sich hierbei um einen im Jahr 2001 fertiggestellten Bau, der das
Zentrum für Umweltbewusstes Bauen e.V., kurz: ZUB, beherbergt. Das ZUB
versteht sich als Bindeglied zwischen Universität, Handwerk, Planungsbüros
und Industrie in Fragen des umweltbewussten Bauens.
Bild 1: Südansicht Gesamtgebäude [1]
Der Neubau des ZUB grenzt direkt an die Brandwand einer ehemaligen Maschinenfabrik
(Kolben-Seeger), in der heute verschiedene Fachgebiete der Universität
GH Kassel untergebracht sind (Bild 2). Verbunden sind die beiden
Gebäude durch ein fast vollständig verglastes Atrium (im weiteren als Flur bezeichnet),
in dem sich das Treppenhaus befindet. Der dreigeschossige und
unterkellerte Neubau ist einhüftig angelegt. Im EG befindet sich in erster Linie
ein großer Veranstaltungssaal, im 1. und 2. OG Büro- und Laborräume. Der im
folgenden betrachtete Raum befindet sich im 1. OG (Bild 2). Die Hauptfassade,
und damit auch die Außenwand des betrachteten Büroraums, ist nach Süden
ausgerichtet (Bild 1).
Bild 2: Grundriss Gesamtgebäude [1] Bild 3: Schnitt Gesamtgebäude [1]

VORSTELLUNG DES SIMULATIONSOBJEKTS 5
Die Außenwände des Gebäudes bestehen aus Stahlbeton und sind mit einem
Wärmedämmverbundsystem einer Dämmstoffdicke von 30 cm versehen (U =
0,11 W/(m 2 K)). Die Hauptfassade ist fast komplett mit einer 3-Scheiben-Wärmeschutzverglasung
versehen (U = 0,6 W/(m 2 K), g = 0,42). Die Fenster sind
mit einem außenliegenden Sonnenschutz in Form drehbarer Lamellenjalousien
(FC = 0,25) ausgestattet. Der mittlere U-Wert aller Bauteile der wärmetauschenden
Hüllfläche beträgt 0,32 W/(m 2 K). Das A/V-Verhältnis des gesamten
Baukörpers ist 0,34 m -1 . Eine Luftdichtsheitsmessung der Gebäudehülle ergab
einen n50-Wert von 1,0 h -1 .
Vom unbeheizten Flur (Atrium) sind die Büroräume durch eine zweischalige
Lehmwand getrennt, deren Luftzwischenschicht (36,5 cm) gleichzeitig als Installationsschacht
dient.
Die seitlichen Fluraußenwände sind mit 3-Scheiben-Wärmeschutzverglasung
versehen (s.o.). Von den Elementen der Flurdachverglasung lassen sich einige
öffnen. Diese beweglichen Elemente haben mit 1,0 W/(m 2 K) einen etwas
höheren U-Wert als die übrigen Flurfenster.
Das Gebäude selbst ist Forschungsobjekt zur Untersuchung von Zusammenhängen
aus den Bereichen Technische Gebäudeausrüstung und Bauphysik. Es
ist daher mit einem flexibel ausgelegten Heizungs/Kühlungs- und Lüftungssystem
sowie umfangreicher Messtechnik ausgestattet.
Die Lüftungsanlage kann im Abluft- und im Zuluftbetrieb eingesetzt werden.
Kernbestandteil der Anlage sind zwei Kreuzstrom-Wärmetauscher mit 85%igem
Wirkungsgrad (in Reihe).
Alle Aufenthaltsbereiche des ZUB werden mit einem wasserdurchströmten
Bauteilheiz-/-kühlsystem temperiert. Die Geschossdecken des EG und 1. OG
sind je mit zwei Rohrebenen versehen. Ein Rohrsystem befindet sich im Estrich,
über der Trittschalldämmung (Fußbodensystem), eines im Beton (Deckensystem)
(Bild 4). Kellerdecke und Decke über 2. OG verfügen jeweils nur über ein
Rohrsystem.
20 10
20
50
90 160
Fußbodensystem
150 150
20
60
250
20
Deckensystem
Bild 4: Aufbau Heiz-/ und Kühlsystem in der Decke bzw. dem Fußboden.
350

VORSTELLUNG DES SIMULATIONSOBJEKTS 6
Fußboden- und Deckensystem können unabhängig voneinander betrieben
werden. Jeder Büroraum ist über zwei eigene Vor- und Rückläufe (je für
Decken- bzw. Fußbodensystem) an einen Verteiler angeschlossen. Über Volumenstromregler
ist so eine Einzelraumregelung möglich.
In der kalten Jahreszeit wird über den Fernwärmetauscher erwärmtes Wasser
als Heizmedium genutzt.
Um im Sommer Wärme aus den Räumen abzuführen, wird das durch Decke
und/oder Fußboden strömende Wasser in der Sohlplatte gekühlt. Bei diesem
Betrieb sind die Rückläufe der Büros direkt mit dem Vorlauf der Sohlplatte verbunden.
Die Sohlplatte ist auf ihrer Oberseite wärmegedämmt und steht unterseitig
in gutem thermischen Kontakt zum Erdreich unter dem Gebäude.
[2][3][4]
570
80 320 120 50
150 150
Sohlplattenregister
Bild 5: Aufbau Sohlplatte.

VORSTELLUNG DER VERWENDETEN SIMULATIONSSOFTWARE 7
3 Vorstellung der verwendeten Simulationssoftware
IDA-ICE
3.1 Allgemeines
Die im Rahmen dieser Arbeit verwendete Simulationsumgebung IDA SE (für
Simulation Environment) ist ein Simulationswerkzeug für modulare Systeme, in
denen die Komponenten in Form von Gleichungen beschrieben werden. Eine
einzelne Komponente (beispielsweise für eine Wand, einen Heizkessel, einen
Ventilator....) wird in IDA als „model“ bezeichnet; hier wird im weiteren der
Begriff Modul verwendet, um Verwechslungen mit dem gesamten Simulations-
Modell (welches wiederum aus einzelnen Modulen zusammengesetzt wird) zu
vermeiden.
Ein Satz von Modulen für einen bestimmten Simulationszweck
,anwenderfreundlich aufbereitet, wird als Applikation („application“) bezeichnet.
Eine solche Applikation ist IDA ICE (für Indoor Climate and Energy), die für
diese Arbeit verwendet wird. In IDA ICE sind spezielle Module zur thermischen
Simulation von Gebäuden zusammengestellt.
Zur Formulierung der Module wird der sogenannte NMF-Code (für Neutral
Model Format) verwendet. Es handelt sich hierbei um eine programmunabhängige,
gleichungsbasierte Programmiersprache, die in erster Linie konzipiert
wurde, um physikalisch kontinuierliche Zusammenhänge zu beschreiben. Der
NMF-Code wird von einem der drei IDA-Grundelemente, dem IDA NMF Translator,
wahlweise in C oder Fortran übersetzt. Der C- bzw. Fortran-Code wird
einem entsprechenden Compiler übergeben und auf diese Weise ausführbarer
Maschinencode erzeugt. (Der Compiler ist in der Simulationsumgebung nicht
enthalten und muß zusätzlich installiert werden.) Mit Hilfe des NMF-Translator
hat der Anwender die Möglichkeit, seinen jeweiligen Bedürfnissen angepasste
Module zu erstellen. Alle ICE-Module stehen dem Anwender zur Analyse und
ggf. Modifikation als offener NMF-Code zur Verfügung.
Die Verknüpfung der verschiedenen Module untereinander erfolgt im sog. IDA-
Modeller, einer graphischen Benutzeroberfläche.
Die genaue Vorgehensweise, ein Modul in IDA-ICE einzubinden und im IDA-
Modeller zur Verfügung zu stellen, ist dem Anhang anhand eines Beispiels zu
entnehmen.
Ist das Simulationsmodell im IDA-Modeller fertiggestellt, wird es dem IDA-
Solver zur Berechnung übergeben.

VORSTELLUNG DER VERWENDETEN SIMULATIONSSOFTWARE 8
3.2 Ausgewählte Details aus der ICE-Applikation
3.2.1 Konvektiver Wärmeübergangskoeffizient
Die konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten werden in IDA ICE in einer externen
Fortran-Subroutine U_FILM berechnet und sind abhängig von der Lage
des Bauteils, der Richtung des Wärmeflusses und der Temperaturdifferenz
zwischen Luft und Oberfläche. Sie genügen der folgenden Gleichung (nach [5]):
αk = a + b · (abs (TLuft – TOberfläche)) c
mit:
Tabelle 1: Berechnungsparameter konvektiver Wärmeübergang
a b c
vertikal 0 1,88 0,32
horizontal,
Wärmefluß nach oben
horizontal,
Wärmefluß nach unten
0 2,42 0,31
0,6 0 0
Im Diagramm dargestellt hat der konvektive Wärmeübergangskoeffizient folgenden
Verlauf:
αk [W/(m 2 K)]
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
vertikal horizontal, Wärmefluss nach oben
horizontal, Wärmefluss nach unten
Konvektiver Wärmeübergangskoeffizient - IDA ICE
0
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5
abs(T Luft - T Oberfläche) [K]
Bild 6: konvektiver Wärmeübergangskoeffizient, wie er den IDA-Simulationen zugrunde liegt
nach [5]

VORSTELLUNG DER VERWENDETEN SIMULATIONSSOFTWARE 9
3.2.2 Operative Temperatur
Die operative Temperatur wird innerhalb des Zonen-Moduls (CEDETZON) als
Mittelwert aus mittlerer Luft- und mittlerer Strahlungstemperatur errechnet:
θ op
( θ air + θ mr)
2
Die mittlere Strahlungstemperatur berechnet sich wie folgt:
θ mr
⎡
⎢
⎢
⎢
⎢
⎣
n
∑
i = 1
⎡
⎣
( ) 4
ϕ i⋅ θ si + 273 , 16
n
ϕ ∑ i
i = 1
⎤ ⎤
⎦ ⎥⎥⎥⎥⎦
mit: ϕ = Einstrahlzahl der jeweiligen Oberfläche
θs = Temperatur der jeweiligen Oberfläche
Die Gleichung ist direkt dem NMF-Code für das Zonen-Modul entnommen.
1
4
273
− 16
,
Die Einstrahlzahlen werden ermittelt zwischen den Oberflächen der Zone, also
den Raumumschließungsflächen, und einem unendlich kleinen Würfel. Für jede
Seite dieses Würfels wird die Einstrahlzahl nur für die parallele Oberfläche
direkt davor berechnet. Die Summe der Einstrahlzahlen aus der ersten Berechnung
ist ungleich eins; aus diesem Grund wird ein zweiter Satz von Einstrahlzahlen
durch Division der Zahlen mit der Summe des ersten Satzes errechnet
[6].
Berechnet wird die operative Temperatur für die Stelle im Raum (es können
auch mehrere sein), die der Anwender als „occupant-location“ definiert, also die
Stelle, an der sich eine Person im Raum befindet. Voreingestellt ist der Mittelpunkt
der Raumgrundfläche bei 0,6 m über dem Fußboden.

VORSTELLUNG DER VERWENDETEN SIMULATIONSSOFTWARE 10
3.2.3 P-Regler „Psmooth“
Als Proportionalregler für die Raumlufttemperatur wird in dieser Arbeit stets das
Regler-Modul „Psmooth“ verwendet. Der lineare Proportionalbereich wird hier
als sinusförmiger Verlauf approximiert:
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
-0,5 -0,4 -0,3 -0,2 -0,1 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5
Bild 7: approximierter Proportionalbereich (nach [6])
Der Proportionalbereich wird über die vom Anwender vorzugebenden Parameter
„hi“ und „lo“ definiert. Das Reglersignal errechnet sich wie folgt:
mit:
OutSignal
sin( RampPos⋅π ) + 1
RampPos measure −
2
( hi+ lo)
2
hi − lo
wobei „measure“ den aktuellen Wert der Regelgröße bezeichnet.

4 Modellierung
4.1 Geometrie und Bauteile
MODELLIERUNG 11
Im Rahmen dieser Arbeit wird nur ein einzelner Büroraum des ZUB für die Untersuchungen
herangezogen. Dieser nach Süden ausgerichtete Raum befindet
sich im 1. OG des dreigeschossigen Gebäudes und ist je mindestens einen Büroraum
von den äußeren Gebäudeecken bzw. vom Dach entfernt gelegen.
Der Raum wird in der Modellierung als Zentralraum nach der Definition in [7]
behandelt. Dort wird ein Raum dem „reinen“ Zentralraumsystem zugerechnet,
wenn er mindestens zwei Räume von den Gebäudeecken bzw. vom Dach
entfernt angeordnet ist. Angesichts des sehr hohen Wärmedämmstandards der
Außenbauteile inklusive Fenster, des guten Sonnenschutzsystems und der Bereitstellungsmöglichkeit
kontinuierlicher hoher Luftwechselraten durch die Lüftungsanlage,
wird eine eher schwache Ausprägung der einzelnen Systeme unterstellt.
Es wird daher davon ausgegangen, dass ein Einfluss des Daches bzw.
der Gebäudeecken auf den zu untersuchenden Raum nicht mehr vorhanden ist.
Für die vertikalen Innenbauteile senkrecht zur Außenfassade (BW2 und BW4)
werden im Modell diesseits und jenseits des betrachteten Bauteils die gleichen
Randbedingungen in Form der Raumlufttemperatur etc. angesetzt (adiabat).
Die horizontalen Innenbauteile Decke Büroraum (BD) und Fußboden Büroraum
(BF) werden so modelliert, dass die Decke wieder an den Boden gekoppelt
wird, also z.B. auf der Oberseite der Decke, d.h. auf der Fußbodenoberfläche
des darüberliegenden Raumes die gleichen Randbedingungen wie am Fußboden
des Raumes selbst vorliegen. Es wird im Modell also unterstellt, dass sich
zu beiden Seiten neben, oberhalb und unterhalb des betrachteten Raumes
wieder exakt gleiche Räume mit exakt gleichen Randbedingungen anschließen.
„Für die vertikalen Innenbauteile, die parallel zur Außenfassade angeordnet
sind, ist die Definition allgemeingültiger Randbedingungen nicht möglich. .... Es
gilt deshalb für die jeweiligen Gebäudetypen spezifische Modelle zu entwickeln“
Diese Aussage in [7] trifft für den hier betrachteten Raum in ganz besonderem
Maße zu, da es sich bei dem betreffenden Bauteil um die Wand zum unbeheizten
Flur handelt, welcher wiederum auf der gegenüberliegenden Seite an
das Nachbargebäude anschließt. Da die Außenbauteile des Flures zu einem
sehr großen Anteil verglast sind und dieser Gebäudebereich wie bereits
erwähnt, unbeheizt ist, wird ein nicht vernachlässigbarer Einfluss des Flures
sowohl im Sommer als auch im Winter vermutet. Da sich der betrachtete Raum
etwa im mittleren Bereich an die Flurwand anschließt, ist eine nur teilweise,

OSTANSICHT
SÜDANSICHT
WESTANSICHT
2,25
FD
FW1
FW2 (Glas)
FW3
FW1
BD
5,28
FW2
FW4
BW1
BW2
FW4 (Glas)
Büro
3,25
BW4
BB
3,35
11,03
A
A
BW1
Flur
14,28
4,76
FW4_K
BW3
Flur (Keller)
3,25
MODELLIERUNG 12
FW3_K
FW1_K
FW2_K
B
FW1_K
3,94
FB
31,12
B
SCHNITT A-A
FW3 - Winter 20°C, Sommer 22°C const.
N
außen
außen
FW1 - Wie im Büroraum
adiabat
adiabat
Bild 8: Modellierter Gebäudebereich; Bezeichnungen, Geometrie, Randbedingungen.
außen
SCHNITT B-B
FW3_K - Winter 18°C, Sommer 20°C const.
Winter 18°C,
Sommer 20°C const.
Winter 18°C,
Sommer 20°C const.
FW1_K - Winter 18°C, Sommer 20°C const.

MODELLIERUNG 13
anteilsmäßig auf den Raum abgestimmte Modellierung des Flures schwierig.
Der Flur wird aus diesem Grund ganz mitmodelliert. Dabei wird an der Wand
zum Nachbargebäude im oberen Bereich (FW3) eine feste Temperatur von 20
°C für den Winter oder von 22 °C für den Sommer angesetzt. Im Kellerbereich
(FW3_K) werden zum Nachbargebäude hin im Winter 18 °C und im Sommer 20
°C angesetzt. Gleiches gilt für die Kellerwand auf der gegenüberliegenden Seite
(FW1_K).
Die Flurwand FW1 oberhalb des Kellers, also die Wand an die auch der betrachtete
Büroraum grenzt, wird hinsichtlich der mittleren Oberflächentemperatur
jenseits des Flures (also auf Büroraumseite) so modelliert, das für jeden
Simulationszeitschritt der gleiche Wert angesetzt wird, wie an der
entsprechenden Wand im Büroraum selbst (BW3). Um dies zu ermögliche, wird
ein NMF-Modul geschrieben, dessen Funktionsweise in Kapitel 4.3 erläutert
wird.
Die Ost- und Westwand im oberen Bereich des Flures (FW2 und FW4) wird
jeweils komplett als Außenwand angenommen. Tatsächlich schließen sich an
den nichtverglasten Bereich dieser Wände Büros bzw. Laborräume an (siehe
Bild 2). Da das Flurdach im Modell als gerade und direkt an die Decke der
Büros im 2. Obergeschoss anschließend angenommen wird, entfällt dabei auch
der an die Außenluft grenzende Attikabereich; durch die zusätzlichen Außenbauteile
soll diese Attika an anderer Stelle berücksichtigt werden.
An den Kellerwänden FW2_2 und FW4_2 werden auf der Fluraußenseite, wie
bei den anderen Wänden im Kellerbereich auch, im Winter 18 °C und im
Sommer 20 °C fest angesetzt.
Die Geometrie des Gesamtgebäudes bzw. des Flures wird vereinfacht wie in
Bild 8 dargestellt angenommen. Die im Flur vorhandenen Zwischendecken,
Podeste und Treppenläufe aus Beton werden nicht detailliert modelliert aber als
interne Massen rechnerisch mitberücksichtigt.
Bauteile und Konstruktionen, so wie sie den Simulationsrechnungen zugrunde
liegen, können der folgenden Tabelle entnommen werden. Mit Hilfe der in
Klammern hinter dem Namen des Bauteils angegebenen Bezeichnungen lässt
sich das Bauteil in Bild 8 wiederfinden.

Tabelle 2: Verwendete Bauteile mit Materialdaten
1 Geschossdecke
(BB, BD)
U = 0,98 W/(m 2 K)
A = 25,1 m 2 (2x)
2 Bodenplatte
(FB)
U = 0,26 W/(m 2 K)
A = 122,6 m 2
3 Außenwand
(BW1, FW2, FW4)
4
U = 0,11 W/(m 2 K)
A = 0,85 m 2 (BW1)
Bauteil Material
1
2
1
2
3
4
1
2
3
19,4 m 2 (FW2 + FW4)
Innenwand KS
(BW2, BW4)
1
2
3
U = 2,08 W/(m 2 K)
A = 15,93 (2x)
5 Lehmwand
(BW3, FW1)
U = 1,4 W/(m 2 K)
A = 17,7 m2 (BW3)
343,3 m2 (FW1)
1
2
3
MODELLIERUNG 14
1 Estrich
(Magnesia)
2 Estrich
(Zement)
3 Dämmung
4 Stahlbeton
1 Estrich
(Zement)
2 Dämmung
3 Beton
1 Dämmung
2 Stahlbeton
1 Gipsputz
2 KS-Stein
3 Gipsputz
1 Lehm
2 Luft
3 Lehm
λ
[W/(mK)]
0,9
1,4
0,035
2,1
1,4
0,035
2,1
0,035
2,1
0,035
0,7
0,35
0,95
2,15
0,95
ρ
[kg/m 3 ]
2000
2000
30
2400
2000
30
2400
30
2400
1200
1400
1200
1800
1,2
1800
c
[J/(kgK)]
1000
1000
1380
1050
1000
1380
1050
1380
1050
840
920
840
900
1006
900
s
[m]
0,02
0,06
0,02
0,25
0,05
0,12
0,40
0,3
0,2
0,01
0,115
0,01
0,135
0,365
0,135
εlw
[-]
0,96
0,96
0,96
0,9
0,96
0,9
0,96
0,96
0,93
0,93
ρkw
[-´]
0,45
0,45
0,45
0,5
0,45
0,5
0,45
0,45
0,46
0,46

6 Brandwand
(FW3)
U = 1,37 W/(m 2 K)
A = 343,3 m 2
7 Brandwand Keller
(FW3_K)
Bauteil Material
1
1
2
U = 0,93 W/(m 2 K)
A = 101,1 m 2
8 Kellerwand KS
(FW1_K, FW2_K, FW4_K)
U = 1,67 W/(m 2 K)
A = 101,1 m 2 (FW1_K)
12,3 m 2 (FW2_K +
9 Dach
(FD)
FW4_K)
U = 0,17 W/(m 2 K)
A = 52,8 m 2
10 Fenster Büroraum
UF = 0,8 W/(m 2 K)
A = 16,84 m 2
11 Fenster Flurdach
UF = 0,72 W/(m 2 K)
A = 69,8 m 2
12 Fenster Flur seitlich
UF = 0,65 W/(m 2 K)
A = 24,6 m 2 (2x)
1
1
2
MODELLIERUNG 15
1 Vollklinker
1 Vollklinker
2 KS-Stein
1 KS-Stein
1 Dämmung
2 Stahlbeton
λ
[W/(mK)]
0,96
0,96
0,7
0,7
0,035
2,1
ρ
[kg/m 3 ]
2000
2000
1400
1400
30
2400
c
[J/(kgK)]
920
920
920
920
1380
1050
s
[m]
0,45
0,45
0,24
0,24
0,2
0,25
εlw
[-]
0,93
0,93
0,96
0,96
0,9
0,96
UV = 0,6 W/(m 2 K), UR = 1,6 W/(m 2 K), Rahmenanteil 20 %,
g = 0,42, SC = 0,483, SSC = 0,392
UV = 0,68 W/(m 2 K), UR = 1,1 W/(m 2 K), Rahmenanteil 10 %,
g = 0,45, SC = 0,517, SSC = 0,42
UV = 0,6 W/(m 2 K), UR = 1,1 W/(m 2 K), Rahmenanteil 10 %,
g = 0,42, SC = 0,483, SSC = 0,392
ρkw
[-´]
0,46
0,46
0,45
0,45
0,5
0,45

MODELLIERUNG 16
Fünf der Fensterelemente im Flurdach lassen sich öffnen und bestehen nicht
wie alle anderen Fenster aus 3-Scheiben-Wärmeschutzverglasung, sondern
haben einen etwas schlechteren U-Wert. Für die Modellierung werden flächenanteilsmäßig
gemittelte U- und g-Werte für die Dachfenster des Flures angesetzt,
so wie sie in der vorangegangenen Tabelle in Zeile 11 aufgeführt sind.
Bei der Modellierung der Fenster wird im Rechenprogramm nicht der g-Wert
direkt angegeben, sondern der „Total Shading Coefficient“ (Sc). Dieser Wert
ergibt sich durch den Vergleich des betreffenden Glases mit einer klaren Floatglasscheibe
mit einem Gesamtenergiedurchlassgrad von 0,87 (diese Scheibe
wäre etwa 3 mm dick). Der bekannte g-Wert muss also durch 0,87 dividiert
werden, um den Sc-Wert zu errechnen. Außerdem wird die Eingabe des „Short
Wavelength Shading Coefficient“ (Ssc) verlangt. Er entspricht dem
Transmissionsgrad der Verglasung dividiert durch 0,87. Dieser Wert wird aus
Angaben für vergleichbare Verglasungen in [18] entsprechend dem vorhandenen
g-Wert abgeleitet.
Türen werden nicht mitmodelliert (weder als Bauteile noch als Öffnungen).

4.2 Meteorologie und Nutzung
Meteorologie:
MODELLIERUNG 17
Den Simulationsrechnungen werden die stündlichen Wetterdaten des TRY
(Testreferenzjahr) für die nördlichen und westlichen Mittelgebirge ohne Hochlagen
(Region 4), deren Repräsentanzstation Trier-Petrisberg ist, zugrunde gelegt
[19]. Diese Daten sind für den Standort Kassel zu verwenden.
Für den Heizfall werden im Rahmen dieser Arbeit alle Berechnungen repräsentativ
nur über den Monat Januar durchgeführt, für den Kühlfall nur über den
Juli. Die angesetzten Außenlufttemperaturen für diese beiden Monate entsprechen
den folgenden Diagrammen.
Außenlufttemperatur [°C]
13
11
9
7
5
3
1
-1
-3
-5
-7
Außenlufttemperatur - Januar
-9
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
Bild 9: Außenlufttemperaturen in °C im Monat Januar für TRY-Region 4
Außenlufttemperatur [°C]
34
32
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
Tage
Außenlufttemperatur - Juli
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
Bild 10: Außenlufttemperaturen in °C im Monat Juli für TRY-Region 4
Tage

Nutzungszeiten:
MODELLIERUNG 18
Die Nutzungs- bzw. Arbeitszeit wird mit Montag bis Freitag 8 Uhr bis 17 Uhr
festgelegt. D.h. während dieser Zeit sind Personen anwesend und Geräte in
Betrieb (interne Gewinne / Lasten). Zu den Nacht- und Wochenendzeiten findet
keine Nutzung statt. Mittagspausen o.ä. bleiben unberücksichtigt.
Für den Monat Januar mit 31 Tagen = 744 Stunden insgesamt ergibt sich für 23
Werktage eine Gesamtnutzungszeit von 207 Stunden. Im Juli, der insgesamt
ebenfalls 31 Tage = 744 Stunden hat, ergibt sich bei nur 22 Werktagen eine
Gesamtarbeitszeit von 198 Stunden.
Interne Lasten / Gewinne:
In Anlehnung an [8] wird sowohl für den Heiz- als auch den Kühlfall während
der Nutzungszeit eine interne Gesamtwärmelast von 400 W im Büroraum angesetzt.
Das entspricht etwa 15,5 W/m 2 . Die Wärmeübertragung wird zu 50 %
konvektiv und 50 % radiativ modelliert. Außerhalb der Nutzungszeit wird intern
keine zusätzliche Wärme erzeugt.
Auf die Möglichkeit, die Wärmezufuhr durch Personen, Geräte und Beleuchtung
getrennt abzubilden wird verzichtet, um die Simulationsmodelle und -ergebnisse
möglichst übersichtlich zu halten.
In den angesetzten 400 W sind aufsummiert 2 x 80 W für die Wärmeabgabe
von Personen und pauschal 240 W für alle im Raum befindlichen Geräte und
Licht. 80 W entsprechen der Wärmeabgabe durch Konvektion und Strahlung für
z.B. einen normal bekleideten Menschen ohne körperliche Tätigkeit bei ruhender
Luft und einer Lufttemperatur von etwa 23 °C [9],[10]. Bei steigender Lufttemperatur
sinkt der Anteil der radiativ bzw. konvektiv abgeführten Wärme; sie
wird dann verstärkt durch Verdunstung abgegeben. Die tatsächliche Wärmeabgabe
von Geräten ist stark von deren Ausführung abhängig. Ein konventioneller
Computermonitor wird z.B. deutlich wärmer als ein Flachbildschirm. Entsprechend
streuen diesbezügliche Angaben auch in der Literatur. In [9] wird z.B. für
einen PC plus Bildschirm ein Maximalwert von 80 W sensibler Wärmeabgabe
genannt, [10] gibt 133 W Wärmeabgabe für einen Pentium-PC inkl. 17“ Monitor
im aktiven Betrieb an.
Im Flur werden keine internen Lasten angesetzt.

Lüftung:
MODELLIERUNG 19
In den Simulationsrechnungen, die den Heizfall betreffen, wird für den Büroraum
ein konstanter Gesamtluftwechsel von n = 0,8 h -1 (67,3 m 3 /h) während der
Nutzungszeit angesetzt. Ein Anteil von 0,7 h -1 (58,9 m 3 /h) wird über den Wärmetauscher
mit einem Temperaturwirkungsgrad von 80% zugeführt. Die
restlichen 0,1 h -1 (8,4 m 3 /h) gelangen mit Außenlufttemperatur in den Raum
(Infiltration). Außerhalb der Nutzungszeit wird lediglich der 0,1-fache
Infiltrationsluftwechsel angesetzt.
Im Heizfall wird für den Flur ein Infiltrationsluftwechsel während und außerhalb
der Nutzungszeit von konstant 0,05 h -1 (87,5 m 3 /h) angesetzt. Obwohl nicht
davon auszugehen ist, dass die Außenbauteile des Flures dichter sind als die
des Büroraumes, wird also im Flur eine im Vergleich zum Büro nur halb so hohe
Infiltrationsluftwechselrate modelliert. Damit soll ansatzweise berücksichtigt
werden, dass die Flurtüren zum beheizten Nachbargebäude während der Nutzungszeit
i.d.R. geöffnet sind und auf diesem Weg auch warme Luft in den Flur
strömt. Damit wird im Modell auch unterstellt, das der Luftaustausch auf diesem
Wege größer ist, als der Außenluftwechsel, der bei Betreten des Flures durch
die Hauseingangstür entsteht. Eine Modellierung der Türen selbst erfolgt nicht;
weder als Öffnungen noch als Bauteile.
Im Sommer (Kühlfall) wird von einer rein natürlichen Luftzufuhr mit Außenlufttemperatur
ausgegangen. Während der Nutzungszeit wird im Büroraum ein 0,8facher
Grundluftwechsel angesetzt. Dieser steigt auf 5 h -1 an, sobald die
Raumlufttemperatur 24°C überschreitet. Damit soll ein (teilweises) Öffnen der
Fenster durch den Nutzer bei hohen Raumtemperaturen modelliert werden.
Eine Abfrage, ob die Außenlufttemperatur geringer als die Raumlufttemperatur
ist, erfolgt dabei nicht. Außerhalb der Nutzungszeit reduziert sich der Luftvolumenstrom
im Büroraum auf den Infiltrationsluftwechsel zu 0,1 h -1 . Außerhalb
der Nutzung sind die Bürofenster also immer geschlossen.
Für den Flur wird auch im Sommer ein Infiltrationsluftwechsel von 0,05 h -1
während und außerhalb der Nutzungszeit angesetzt. Dieser wird auf 2,5 h -1
heraufgesetzt, sobald die Flurlufttemperatur Werte über 24°C annimmt. Damit
soll ein Ankippen der Flurdachfenster bei hohen Lufttemperaturen modelliert
werden. Da aus Sicherheitsgründen o.ä. in der Realität nichts dagegen spricht,
diese Dachfenster auch außerhalb der Nutzungszeit geöffnet zu lassen, wird
auch im Modell der erhöhte Luftwechsel bei Temperaturen größer 24°C
jederzeit angesetzt.
IDA ICE bietet die Möglichkeit, einen Infiltrationswechsel vorzugeben, der
immer dann angesetzt wird, wenn die Lüftungsanlage ausgeschaltet ist. Dieser

MODELLIERUNG 20
Wert wird in l/(sm 2 Außenbauteile), also bezogen auf die Flächensumme der Zonenaußenbauteile,
angegeben und gilt für alle Zonen gleichermaßen (Fenster
werden bei der Flächenermittlung in diesem Zusammenhang nicht mitgezählt!).
Über diesen einen Wert ist es also nicht möglich, eine bestimmte Luftwechselrate
bei abgeschalteter Lüftungsanlage für den Büroraum und gleichzeitig eine
andere bestimmte Rate für den Flur zu modellieren. Aus diesem Grund werden
bei der Modellierung Büroraum und Flur je mit einer eigenen Lüftungsanlage
ausgestattet. Die Ventilatoren sind immer in Betrieb, der Wärmetauscher nur
während der Nutzungszeit im Winter. Über das anzugebende Verhältnis Zuluft/Abluft
kann bestimmt werden, welchen Anteil die Infiltration am zugeführten
Luftvolumenstrom einnimmt. Wird der Wert beispielsweise zu Null gesetzt, wird
die Anlage nur zur Abfuhr des kompletten vorgegebenen Luftvolumenstroms
herangezogen. In diesem Fall wird die Luft mit Außenlufttemperatur zugeführt.
Auf diese Weise würde also eine reine Luftzufuhr durch Infiltration modelliert. Im
Winter während der Nutzungszeit wird das Verhältnis Zuluft/Abluft für den Büroraum
beispielsweise zu 0,875 = 0,7 / 0,8 bei 67,28 m 3 /h = 0,8 h -1 insgesamt
ausgetauschter Luft in der Zone angesetzt. 0,7 h -1 werden also über die Lüftungsanlage
unter Berücksichtigung des Wärmetauschers zugeführt, 0,8 h -1
werden über die Anlage abgeführt. Da die Bilanz Abluft-Zuluft immer Null
ergibt, werden 0,1 h -1 über die Außenbauteile „nachgezogen“. Das entspricht
dem gewünschten Infiltrationsluftwechsel.
Da die Lüftungsanlage an sich im Rahmen dieser Arbeit nicht weiter betrachtet
wird (z.B. Energieverbräuche für Ventilatoren o.ä.) ist diese Vorgehensweise
legitim.
An dieser Stelle noch der Hinweis auf eine programmseitige Besonderheit bei
Verwendung des Wärmetauschers innerhalb der Lüftungsanlage: Wird der
Sollwert für die Zulufttemperatur gleich der Außenlufttemperatur gesetzt, um
z.B. auf diese Art und Weise einen Infiltrationsluftwechsel zu simulieren, bricht
das Programm den Rechenlauf in den meisten Fällen ab. Es ist nicht
vorgesehen, dass der Wärmetauscher sozusagen aktiv dazu veranlasst wird,
letztlich nichts zu tun. Der Temperatur-Sollwert sollte also mindestens gleich
der tatsächlich gewünschten Raumlufttemperatur oder höher gesetzt werden.
Wird zeitweise keine Erwärmung der Zuluft über den Wärmetauscher
gewünscht, kann er mit Hilfe des zugehörigen Zeitplans für diese Zeiträume
ausgeschaltet werden. Die Luft wird dann mit Außenlufttemperatur zugeführt.

Sonnenschutz:
MODELLIERUNG 21
Die Fenster des Büroraums sind mit einem außenliegenden Sonnenschutz
ausgestattet. Als Abminderungsfaktor für den Gesamtenergiedurchlassgrad der
Verglasung wird FC = 0,35 verwendet. In der IDA-Simulation wird mit diesem
Faktor der „Total Shading Coefficient“ (Sc, siehe Kapitel 4.1) multipliziert.
Darüber hinaus wird die Angabe eines Abminderungsfaktors für den
„Shortwavelength shading coefficient“ (Ssc, siehe Kaptitel 4.1), der sinngemäß
dem Transmissionsgrad entspricht, verlangt. Dieser Wert wird in den Modellen
zu 0,13 gesetzt.
Der Sonnenschutz wird aktiviert, sobald während der Nutzungszeit ein vorzugebender
Grenzwert für das einfallende Licht auf der Fensterinnenseite überschritten
wird. Außerdem ist für die Aktivierung ein Lichteinfallswinkel

Strahlungsintensität [W/m 2 ]
MODELLIERUNG 22
Strahlungsintensität Büroraum Fensterinnenseite - Juli
320
300
280
260
240
220
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
Tage
programmseitiger Vergleichswert für Aktivierung des Sonnenschutzes
Intensität diffuse Strahlung Fensterinnenseite
Intensität direkte Strahlung Fensterinnenseite
Bild 12: Strahlungsdaten Fensterinnenseite Büroraum, Juli
Der in IDA ICE voreingestellte Grenzwert von 100 W/m 2 wird in diesem Fall nur
relativ selten überschritten, d.h. bei Ansatz dieses Wertes wäre der Sonnenschutz
kaum im Einsatz. Die Erfahrungen im Realgebäude zeigen jedoch, dass
die Jalousien im Sommer an vielen Tagen fast während der gesamten Arbeitszeit
vom Nutzer geschlossen gehalten werden, um die Arbeit am Computer in
dem fassadenseitig praktisch völlig verglasten, südorientierten Büroraum
möglich zu machen. Auch im Winter gilt dies für Tage mit viel direkter Sonneneinstrahlung.
Ein Grenzwert von 20 W/m 2 spiegelt das tatsächliche Nutzerverhalten
in angemessener Weise wider und wird daher für alle Simulationsrechnungen
angesetzt.
Die Flurfenster verfügen über keine Sonnenschutzvorrichtung.
Eine Verschattung durch Nachbarbebauung wird in den Simulationsrechnungen
nicht berücksichtigt.
Solltemperaturen:
Der Sollwert der Raumlufttemperatur wird für den Heizfall zu 21°C gesetzt. Im
Kühlfall werden 23°C angesetzt, um z.B. der sommerlichen Kleidung der Nutzer
Rechnung zu tragen.
Zur Regelung der Raumlufttemperatur wird im Modell ein Proportionalregler
(siehe Kapitel 3.2.3) verwendet. Der Auslegungsproportionalbereich des
Reglers wird mit 2 K angesetzt [11]. Im Heizfall ist also das Ventil für die raum-

MODELLIERUNG 23
weise Heizmittelmassenstromregelung ab 22°C geschlossen und bei 20 W/m 2
Interne Lasten Büroraum 400 W
50% radiativ
50% konvektiv
Sollwert für die
Raumlufttemperatur 21 °C
Büroraum
Außenklima TRY Region 4
bei θi > 24 °C:
2,5 h -1
- an, wenn
Iinside > 20 W/m 2
- 400 W
50% radiativ
50% konvektiv
23 °C
0,05 h -1
bei θi > 24 °C:
2,5 h -1
-
-

4.3 Anbindung Büroraum – Flur
MODELLIERUNG 24
Wie in Kapitel 4.1 erläutert, wird der Flur zwischen dem zu untersuchenden
zentralen Büroraum und dem Altbau (Kolben-Seeger-Gebäude) komplett mitmodelliert.
Welche Randbedingungen für die einzelnen Flurwände bei den
Simulationsrechnungen zugrunde gelegt werden, ist ebenfalls in Kapitel 4.1
aufgeführt: Die Wände sind entweder an die instationären Außenbedingungen
gekoppelt (Klima-file) oder eine gleichbleibende Temperatur wird als Randbedingung
zugewiesen (z.B. 22°C im Sommer und 20°C im Winter für die Wand
zum Altbau).
Eine Ausnahme bildet die an den zu untersuchenden Büroraum angrenzende,
parallel zur Südfassade liegende Flurwand FW1 (siehe Bild 8). Da es gilt die
notwendigen Rechenzeiten zu begrenzen und das Gebäudemodell möglichst
übersichtlich zu gestalten, können nicht sämtliche Räume, die jenseits des
Flures an diese Wand angrenzen, mitmodelliert werden. Dies ist auch gar nicht
notwendig, da diese Räume an sich ohnehin nicht Gegenstand der Untersuchungen
sind. Die Flurwand muss lediglich so modelliert werden, dass sie für
den betrachteten Büroraum möglichst realistische Randbedingungen liefert.
Eine angemessene Lösung des Problems besteht darin, die mittlere Wandoberflächentemperatur
an der entsprechenden Wand im betrachteten Zentralbüro
(BW3) dynamisch (d.h. für jeden Simulationszeitschritt) zu „kopieren“ und an
der gesamten Flurwand FW1 auf Seiten des Büroraums anzusetzen.
Zu diesem Zweck wird das NMF-Modul „wmult“ geschrieben (siehe Anhang).
Da bei der Verbindung eines Zonenmoduls mit einem Wandmodul immer eine
Temperatur [°C] zusammen mit einem Wärmestrom [W] ausgetauscht wird,
setzt das Modul „wmult“ nicht nur die mittleren Wandoberflächentemperaturen
gleich, sondern leitet auch einen vervielfachten Wärmestrom weiter. „wmult“
enthält nur zwei einfache Gleichungen:
Tb = Ta
Qb = Qa ⋅ k
Mit Tb mittlere Wandoberflächentemperatur Wand b
(hier: Gesamte Flurwand FW1_1) [°C]
Ta mittlere Wandoberflächentemperatur Wand a
(hier: Wand Büroraum BW_3) [°C]
Qb Wärmestrom Wand b [W]
Qa Wärmestrom Wand a [W]
k Flächenverhältnis Ab/Aa [-]

MODELLIERUNG 25
Der Parameter k ist vom Anwender einzugeben und beschreibt das Größenverhältnis
der beiden zu koppelnden Wandflächen. Im Falle der Anbindung
zentraler Büroraum – Flur ist k = 343,3 m 2 / 17,7 m 2 = 19,4.
Ob durch „wmult“ tatsächlich Bauteile in gewünschter Weise miteinander verbunden
werden können, wird ein geometrisch einfaches Beispiel mit extremen
Randbedingungen zeigen:
Ansicht
3 m
Grundriss
4 m 4 m
adiabat
adiabat
adiabat
adiabat
adiabat
40 m
+100°C
-100°C
40 m
RAUM 2
RAUM 1
adiabat
adiabat adiabat
Ansicht
3 m
4 m
adiabat
Grundriss
adiabat
adiabat
adiabat
4 m
WMULT
adiabat
40 m
+100°C
RAUM 1
-100°C
Bild 13: Test Fluranbindung 1 Bild 14: Test Fluranbindung 2
4 m
4 m
RAUM 2
Tb = Ta
Qb = k ∗ Qa
In einer ersten Simulationsrechnung wird ein 40 m langer, 4 m breiter und 3 m
hoher Raum „ganz normal“ an einen gleich großen Raum angeschlossen (siehe
Bild 13). An der Wand des Raums 1, die der gemeinsamen Wand gegenüberliegt,
werden konstant -100 °C Oberflächentemperatur angesetzt. An der entsprechenden
Wand des Raums 2 +100 °C. Für alle weiteren Raumumschließungsflächen
außer der gemeinsamen Trennwand werden adiabate Randbedingungen
angesetzt.
Für eine Vergleichsrechnung wird Raum 1 nur mit einer Länge von 4 m
modelliert. Alle anderen Randbedingungen bleiben gleich (Bild 14). Die beiden
Räume werden jetzt über das Modul „wmult“ miteinander verbunden. Da diese
Berechnung die gleichen Ergebnisse liefern soll wie die Simulation mit gleich
großen Räumen, wird der Parameter k = 10 gesetzt (120 m 2 / 12 m 2 ).
Bei den Berechnungen werden alle bedeutsamen Oberflächentemperaturen
und Wärmeströme sowie die Lufttemperaturen in den Räumen aufgezeichnet.
Es wird so lange simuliert, bis beide Systeme eingeschwungen sind.
adiabat
adiabat
adiabat

MODELLIERUNG 26
Die Ergebnisse (Bild 15 und 16) zeigen, dass durch „wmult“ die mittlere Oberflächentemperatur
wie gewünscht unverändert „weitergereicht“ und der Wärmestrom
verzehnfacht wird.
Q = -9047
Q = -9047
Q = -9046
Q = -9046
Q = -9046
Q = 9046
Q = 9046
θi = 37,91°C
θi = -34,29°C
θs = 100°C const.
θs = 44,53°C
θs = 31,23°C
θs = 31,23°C
θs = -24,23°C
θs = -44,53°C
θs = -100°C const
RAUM 2
RAUM 1
Q = -9005
Q = -9005
Q = -9005
Q = -9005
Q = -900,5
Q = -900,5
Q = 901,3
θi = 38,21°C
θs = 100°C const.
θs = 44,79°C
θs = 31,56°C
θs = 31,56°C
θs = 31,56°C
Q = -900,5 θs = 31,56°C
θi = -34,05°C
θs = -23,64°C
θs = -44,74°C
Q = 901,3 θs = -100°C const
RAUM 2
Bild 15:Ergebnis Test Fluranbindung 1 Bild 16: Ergebnis Test Fluranbindung 2
Qb ; Tb
WMULT
Qa ; Ta
RAUM 1
Die entscheidende Vergleichsgröße, nämlich die Raumlufttemperatur in Raum
1, weicht zwischen den beiden Modellen nur um 0,24 K voneinander ab. In
Anbetracht der extremen Randbedingungen (+100°C / -100°C), die so in der
Realität für ein Bürogebäude wohl nie vorkommen sollten, ist dieses Ergebnis
absolut zufriedenstellend.
In allen weiteren Simulationen im Rahmen dieser Arbeit werden der zentrale
Büroraum und der Flur über das Modul „wmult“ aneinander gekoppelt.
Die zur Überprüfung von „wmult“ verwendeten IDA ICE – Dateien tragen den
Namen „Flurw_mitwmult“ bzw. „Flurw_ohnewmult“ (siehe beigefügte CD-Rom).

MODELLIERUNG 27
4.3.1 Einfluss des Flures auf den Büroraum am Beispiel Heizen mit
Deckensystem
Um den Einfluss des Flures auf den Büroraum quantitativ zu erfassen, werden
Vergleichsrechnungen unter stationären Randbedingungen für den Heizfall
durchgeführt. Für die ersten sechs Rechenläufe wird ein Modell verwendet, in
dem Büro und Flur (Geometrie, Bauteile gem. Kapitel 4.1) über das Modul
„wmult“ mit k = 19,4 aneinander gekoppelt sind. Die Vorlauftemperatur wird für
die einzelnen Läufe zwischen 20 °C und 30°C variiert. Im zweiten Modell wird
der Flur nicht mitmodelliert und die Bürowand parallel zur Außenfassade mit
adiabaten Randbedingungen angesetzt. Auch für dieses Modell wird die Vorlauftemperatur
entsprechend variiert. Die folgenden Randbedingungen sind für
beide Modelle und alle 12 Rechenläufe gleich:
- Außentemperatur θe = 0 °C
- Luftwechsel Büro: 0,7 h -1 mit 80 % WRG
0,1 h -1 Infiltration
- nur Deckensystem mit m = 10 kg/(m 2 h)
- keine Wärmegewinne
Aufgezeichnet werden die Raumlufttemperatur im Büroraum, die über die
Deckenheizung abgegebene Heizleistung und die mittlere Wandoberflächentemperatur
an der Verbindungswand auf der Flurseite (ist bei adiabaten Randbedingungen
gleich der Temperatur auf der Büroseite).
Wandtemperatur [°C]
25
24
23
22
21
20
19
18
17
16
ohne Flur
mit Flur
Einfluss des Flurs auf die Wandtemperatur
15
20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Vorlauftemperatur [°C]
Bild 17: Oberflächentemperatur Flurwand in Abhängigkeit von der Vorlauftemperatur.

MODELLIERUNG 28
Bei einer Vorlauftemperatur von z.B. 25 °C ist die mittlere Oberflächentemperatur
an der Flurwand für den Fall „mit Flur“ mehr als 2 K niedriger als bei
Ansatz adiabater Randbedingungen für die entsprechende Bürowand (Bild 17).
Bei Betrachtung der erforderlichen Heizleistung wird der Einfluß des Flurs
besonders deutlich: Um z.B. eine Raumlufttemperatur von 20 °C aufrecht zu
erhalten, muss mit Flur etwa 13 % mehr Leistung über die Deckenheizung abgeben
werden, als bei dem Ansatz „ohne Flur“ (Bild 18).
Heizleistung [W]
650
600
550
500
450
400
350
ohne Flur
mit Flur
Einfluss des Flurs auf die Heizleistung
300
15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25
Raumlufttemperatur [°C]
Bild 18: Heizleistung in Abhängigkeit von der Raumlufttemperatur.
Raumlufttemperatur [°C]
25
24
23
22
21
20
19
18
17
16
ohne Flur
mit Flur
Einfluss des Flurs auf die Raumlufttemperatur
15
20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Vorlauftemperatur [°C]
Bild 19: Raumlufttemperatur in Abhängigkeit von der Vorlauftemperatur.
Ausgedrückt über die Beziehung Raumlufttemperatur – Vorlauftemperatur: Um
eine Raumlufttemperatur von 20 °C zu erreichen, muss unter Berücksichtigung
des Flures die Vorlauftemperatur etwa 1 K höher sein als ohne Flur (Bild 19).

MODELLIERUNG 29
Im Bereich sehr niedriger Vorlauf- bzw. Raumlufttemperaturen, also wenn der
Raum nur noch ganz schwach über das Deckensystem beheizt wird, kehren
sich die Verhältnisse um: Sobald die Raumlufttemperatur unter etwa 16 °C
sinkt, heizt der Flur sozusagen den Raum mit. Dies ist bedingt durch die festen
Temperaturrandbedingungen, die z.B. an der Flurwand zum Nachbargebäude
(20 °C im Winter) angesetzt sind (siehe Kapitel 4.1).
An dieser Stelle wird deutlich, dass der Einfluss des Flures auf den Büroraum
natürlich auch von diesen fest vorgegebenen Oberflächentemperaturen
abhängt. Bei den angesetzten Werten handelt es sich lediglich um Annahmen,
die sinnvoll erscheinen, um z.B. eine möglichst klare Abgrenzung zum Nachbargebäude
zu bewerkstelligen: Es wird unterstellt, das dort jederzeit eine
Solltemperatur von 20°C gehalten wird.
Die tatsächlichen Verhältnisse sind möglicherweise anders. So sind z.B. erfahrungsgemäß
die Verbindungstüren (eine je Stockwerk) vom Flur zum Nachbargebäude
während der Nutzungszeit i.d.R. geöffnet. Es findet also auch ein
konvektiver Wärmeaustausch zwischen den Gebäuden statt, der hier unberücksichtigt
bleibt. Ob eine detailliertere Modellierung dieser Zusammenhänge für
die Betrachtung des Büroraums sinnvoll wäre, ist fragwürdig, da sich lediglich
der „Bereitstellungsort“ der benötigten Wärmeenergie verschieben würde.
Die IDA ICE – Dateien, die zur Berechnung des Flureinflusses verwendet
wurden heißen „Vgl_mitFlur_0“ bzw. „Vgl_ohneFlur_0“ und sind auf der beigefügten
CD-Rom enthalten.

MODELLIERUNG 30
4.4 Heizungsmodul – Regelung über den Massenstrom
Bei dem in IDA ICE ab Version 3.0 standardmäßig vorhandenen Fußbodenheizungs-Modul
„flHEAT“ erfolgt die Regelung der Raumlufttemperatur über die
Vorlauftemperatur, d.h. diese ist Stellgröße des Regelsystems. Der Heizmittelmassenstrom
wird in dieser Variante als konstanter Wert mit Hilfe der vom
Anwender vorzugebenden Parameter „Soll-Wärmestromdichte“ [W/m 2 ] und
„Temperaturverlust über die Fußbodenheizung“ [°C] berechnet.
Bei den im Rahmen dieser Arbeit untersuchten Regelungsstrategien wird die
Vorlauftemperatur nach einer außentemperaturabhängigen Heizkurve (siehe
Kapitel 5.2.1) gesteuert; die Regelung der Raumlufttemperatur soll über den
Heizmittelmassenstrom (Stellgröße) erfolgen. Zu diesem Zweck wird der
Berechnungsalgorithmus für den Massenstrom aus dem NMF-Modul für einen
Wasserradiator „CeWatHet“ kopiert und in eine sehr einfache „Versuchsversion“
des ICE-Fußbodenheizungs-Moduls eingefügt. Diese Version wurde freundlicherweise
von einem IDA ICE-Programmentwickler zur Verfügung gestellt. Das
so neu „zusammengesetzte“ Modul erhält den Namen „flmass“ und seine
Arbeitsweise wird im folgenden erläutert. Dabei werden die Begrifflichkeiten aus
dem Bereich Heizen verwendet. Das Modul kann aber genauso in Zusammenhang
mit einer Kälteanlage oder einer Kühlung über z.B. die Bodenplatte
verwendet werden (siehe Kapitel 4.6).
Das Wärme abgebende Rohrregister ist als Schicht mit der Dicke Null modelliert.
In welcher Höhe des Bauteils diese Schicht angeordnet wird, ist vom
Anwender zu bestimmen. Gleiches gilt für die Größe der Heizfläche.
Für die Berechnungen innerhalb des Moduls selbst werden folgende Eingabeparameter
benötigt:
A [m 2 ] Größe der Heizfläche
h [W/(m 2 K)] Spezifischer Wärmedurchgangskoeffizient
dp0 [Pa] minimal notwendiger Druckverlust zur Aufrechterhaltung des
minimalen Heizmittelmassenstromes
mmax [kg/s] maximal möglicher Heizmittelmassenstrom wenn Reglersignal = 1
(entspricht voll geöffnetem Ventil) und dpvorh > dp0
mmin [kg/s] Heizmittelmassenstrom wenn Reglersignal = 0 (entspricht
geschlossenem Ventil) und dpvorh > dp0
„flmass“ ist sowohl mit den Bauteilschichten über bzw. unter der Heizschicht
verbunden als auch mit dem Vorlauf vom bzw. mit dem Rücklauf zum Wärmeerzeuger.
Eine Kopplung zum Regler-Modul besteht ebenfalls. Je

MODELLIERUNG 31
Simulationszeitschritt werden über diese Verbindungen folgende Variablen
ausgetauscht:
Austausch mit
dem Modul der Bauteilschichten TSlab [°C] Temperatur der Heizschicht
oberhalb der Heizschicht QAbove [W] Wärmestrom nach oben
dem Modul der Bauteilschichten TSlab [°C] Temperatur der Heizschicht
unterhalb der Heizschicht QBelow [W] Wärmestrom nach unten
dem Wärmeerzeuger-Modul (Vorlauf)
dem Wärmeerzeuger-Modul (Rücklauf)
dem Regler-Modul
P1 [Pa] Wasserdruck
Heizregister
bei Einlass in das
M [kg/s] Heizmittelmassenstrom
TIn [°C] Vorlauftemperatur
P2 [Pa] Wasserdruck bei Auslass aus dem
Heizregister
M [kg/s] Heizmittelmassenstrom
TOut [°C] Rücklauftemperatur
Contr [-] Reglersignal (0 – 1)
Der Massenstrom M [kg/s] wird in Abhängigkeit vom vorhandenen Druckgefälle
dp [Pa] ermittelt. Mit
dp = P1 – P2
Bei dem für die Raumlufttemperaturregelung verwendeten Proportionalregler
„Psmooth“ (siehe Kapitel 3.2.3) nimmt das Reglersignal (Contr) ausschließlich
Werte zwischen 0 und 1 an. Für den Heizmittelmassenstrom gilt dann:
Wenn dp > dp0 ist gilt:
M = mmax ⋅ Contr + mmin ⋅ (1 – Contr)
Wenn dp < dp0 ist gilt:
M = mmin ⋅ dp / dp0

MODELLIERUNG 32
Der Zusammenhang Druckgefälle – Massenstrom graphisch dargestellt:
M
[kg/s]
mmax
mmin
dp0
dp [Pa]
Bild 20: Zusammenhang Druckgefälle – Massenstrom.
1
Contr
Die von der Heizfläche abgegebene Leistung wird wie folgt berechnet:
Q = M ⋅ CWasser ⋅ (TOut – TIn)
Und teilt sich auf in den Wärmestrom nach oben und nach unten:
Q = QAbove + QBelow
Die Rücklauftemperatur genügt der Gleichung:
TOut = TSlab + (TIn – TSlab) ⋅ X
Mit X = e -0,01 ≈ 1
Wenn - h ⋅ A / (M ⋅ CWasser) > -0,01
X = e -20 ≈ 0
Wenn - h ⋅ A / (M ⋅ CWasser) < -20
Sonst:
X = e [- h ⋅ A / (M ⋅ C Wasser )]
X beschreibt in diesem Modell also den „Wirkungsgrad“ der Heizschicht: Nimmt
X den Wert ≈ 0 an, so ist die Rücklauftemperatur gleich der Vorlauftemperatur;
dem System wird keine Energie entzogen.
Der Wärmeübergang Heizmedium-Rohr, die Wärmeleitung durch das Rohr und
der Wärmeübergang Rohr-Bauteil werden im Parameter h [W/(m 2 K)] zusammengefasst.
Dieser Wert ist vom Anwender anzugeben. Für in Beton verlegte
Rohrregister wird programmseitig h = 30 [W/(m 2 K)] vorgeschlagen (siehe hierzu
auch Kapitel 4.5).
0

MODELLIERUNG 33
4.5 Heizungsmodul – Plausibilitätsprüfung und
Ergebnisvergleich mit Simulationsprogramm HAUSer
Zur Überprüfung der Plausibilität von Berechnungen mit dem neu erstellten
Heizungs-NMF-Modul „flmass“ (siehe Kapitel 4.4) werden Simulationsrechnungen
für das Deckensystem unter stationären Auslegungsrandbedingungen
- Außenlufttemperatur konstant -12°C
- keine Gewinne
- Luftwechsel Büroraum: konstant 0,3 h -1 Infiltration
durchgeführt.
In [8] wurden ebenfalls Untersuchungen des Deckensystems unter denselben
Randbedingungen mit dem Simulationsprogramm HAUSer durchgeführt. Die
mehrdimensionalen Wärmeübertragungsvorgänge in den Decken wurden dort
mit Hilfe der Finite-Differenzen-Methode rechnerisch erfasst und bereichsweise
mittlere Oberflächentemperaturen der Decken dem Programm HAUSer übergeben.
Ein Vergleich mit Ergebnissen aus diesen Berechnungen bietet sich an.
Die geometrischen Randbedingungen und Bauteildaten werden den in [8] angesetzten
angepasst, um möglichst gleiche Grundvoraussetzungen für einen
Vergleich zu schaffen: Es wird ausschließlich der zentrale Büroraum betrachtet.
Für alle drei Innenwände werden adiabate Randbedingungen angesetzt. Die
Decke und der Fußboden werden so modelliert, dass auf der Oberseite der
Decke, d.h. auf der Fußbodenoberfläche des darüberliegenden Raumes die
gleichen Randbedingungen wie am Fußboden des Raumes selbst vorliegen. Da
in [8] mit Achsmaßen gerechnet wurde und nach dem damaligen Planungsstand
die Außenfassade noch etwas anders als in Kapitel 4.1 dargestellt vorgesehen
war, werden folgende Bauteilflächen und U-Werte angesetzt:
Tabelle 4: Bauteilflächen, U-Werte für Vergleichsrechnungen.
A [m 2 ] U * [W/(m 2 K)]
VerglasungAW 10,77 0,501
RahmenAW 2,69 1,600
WandAW 4,49 0,192
AAW,ges = 17,95 UAW,mittel = 0,589
Decke, Boden 27,98
* Den angegebenen U-Werten liegen die stationären Wärmeübergangswiderstände
nach DIN 4108 zugrunde. In den IDA-
Simulationen werden Widerstände wie in Kapitel 3.2.1
beschrieben verwendet.

MODELLIERUNG 34
Analog zur Vorgehensweise in [8] werden der Massenstrom des Heizmittels
(5,5 und 10 kg/(m 2 h)) und die Vorlauftemperatur (25 °C und 30 °C) variiert.
Dadurch ergeben sich vier Grundberechnungsfälle (1: 10/25; 2: 10/30; 3: 5,5/25
und 4: 5,5/30). Eine Angabe und damit auch Variation des Verlegeabstandes
der Heizrohre ist bei dem IDA-Heizungs-Modul nicht möglich. Verglichen wird
im Weiteren mit den HAUSer-Ergebnissen bei einem Verlegeabstand von 20
cm.
Bezüglich der Größe des Parameters h wird der programmseitige Vorschlag (h
= 30 W/(m 2 K)) angenommen (siehe Kapitel 4.4).
Der „Messpunkt“ für die operative Temperatur (siehe Kapitel 3.2.2) wird etwa in
Raummitte (x-, y- und z-Richtung) gelegt.
Es wird zunächst überprüft, ob die vom System insgesamt abgegebene
Leistung (Tabelle 5, Sp. 21 und 22) dem Wärmebedarf für Transmission durch
die Außenwand plus dem Lüftungswärmebedarf bei 0,3fachem Außenluftwechsel
(Sp. 24 und 25) entspricht. Diese erforderliche Leistung errechnet sich zu:
Qerf.,stat. = UAW,m · AAW · (θi – θe) + 0,3 · VRaum · ρLuft · CLuft · (θi – θe)
mit: UAW,m = 0,589 W/(m 2 K); AAW = 17,95 m 2
VRaum = 92,73 m 3 ; ρLuft · CLuft = 0,34 Wh/(m 3 K)
Die beiden Leistungswerte (Sp. 21 und 24) stimmen bei HAUSer, wo bei den
Auslegungsfällen mit stationären Wärmeübergangskoeffizienten gerechnet
wurde, jeweils sehr genau überein. Die geringen Abweichungen sind rundungsbedingt.
(Eine Ausnahme bilden die Werte in Z. 2; vermutlich wurde hier nicht
so lange simuliert, bis das System völlig eingeschwungen war.) Bei IDA liegt die
abgegebene Leistung (Sp. 22) im Mittel 3,33 % über der nach obiger Formel
errechneten (Sp. 25). Diese in allen 4 Rechenläufen in etwa konstante Abweichung
rührt daher, dass die Wärmeübergangskoeffizienten in IDA wie in Kapitel
3.2.1 beschrieben ermittelt werden und nicht stationär, so wie sie der Formel
zugrunde liegen, angesetzt werden können.
Lässt man einmal den ungewöhnlich stark abweichenden Wert aus Z. 2 (s.o.)
außer acht, so wird bei IDA (Sp. 22) im Mittel 3,7 % weniger Leistung als bei
HAUSer (Sp. 21) abgegeben. Dabei weichen die Leistungsabgaben über den
Boden (Sp. 18 und 19) mit durchschnittlich etwa 20 % deutlich stärker voneinander
ab als die Abgaben über die Decke mit etwa 8 % i.M. Dabei ist die
Leistungsabgabe über den Boden bei HAUSer immer geringer als bei IDA, bei
der Decke verhält es sich umgekehrt. Über die Decke wird absolut gesehen bei
beiden Verfahren 4-5 mal soviel abgegeben wie über den Boden.

MODELLIERUNG 35
Aus den unterschiedlichen Leistungsabgaben resultieren Raumtemperaturen
(operative Temperatur) (Sp. 3 und 4), die im Mittel etwa 1,3 K voneinander abweichen.
Die Deckenoberflächentemperaturen (Sp. 9 und 10) bzw. Bodenoberflächentemperaturen
(Sp. 12 und 13) weichen im Durchschnitt etwa 0,8 K bzw.
0,7 K voneinander ab.
Die Abweichung der gemittelten Rücklauftemperaturen (Sp. 6 und 7) voneinander
ist mit 0,15 K nur unwesentlich. Dies deutet darauf hin, dass die doch relativ
große Abweichung bei den Raumtemperaturen nicht in erster Linie auf das
Heizungsmodell an sich zurückzuführen ist. Um diese These zu stützen,
werden vier weitere Rechenläufe (Z. 5/1 bis 5/4) durchgeführt, bei denen jeweils
die Heizung als solche ganz weggelassen wird. Statt dessen werden hinter
Decke und Boden, die als sehr dünne Schichten modelliert werden, je die Temperaturen
konstant angesetzt, die sich bei HAUSer an Decke bzw. am Boden
bei den vier Grundberechnungsfällen ergaben (Z. 1-4, Sp. 9 und 12). Ein Ergebnisvergleich
(d.h. z.B. Z.1 / Sp.3 im Vergleich mit Z.5/1 / Sp.4) zeigt, dass
die Raumtemperaturen jetzt immer noch um 1,03 K (im Mittel) voneinander abweichen.
Das heißt die Unterschiede in der Raumtemperatur bei den beiden
Rechenverfahren sind zu einem sehr großen Teil unabhängig vom Heizungsmodell
an sich.
Dies zeigt auch, das der Wärmeübergang Heizmedium-Rohr, die Wärmeleitung
durch das Rohr und der Wärmeübergang Rohr-Bauteil durch den konstanten
Wert h (hier: = 30 W/(m 2 K)) für die hier betrachteten Zusammenhänge hinreichend
genau abgebildet werden.
Ein letzter Rechenlauf in diesem Zusammenhang (Z. 6/1) bei dem, bezogen auf
den Grundfall 1, die Vorlauftemperatur soweit heraufgesetzt wird, dass sich
etwa die gleiche Raumtemperatur wie bei HAUSer einstellt, zeigt, dass zum
Erreichen etwa gleicher Raumtemperaturen auch eine etwa gleiche Gesamtleistung
abgegeben wird (vgl. Z.1 / Sp.21 mit Z.6/1 / Sp.22). Auch hier nimmt
bei IDA der Boden prozentual einen etwas größeren Anteil an der
Gesamtleistung einnimmt.
Ein Vergleich der vier Grundvarianten untereinander, wie er in [8] gemacht
wurde, liefert bei den Berechnungen mit IDA in etwa die gleichen Ergebnisse:
Eine Erhöhung der Vorlauftemperatur von 25 °C auf 30 °C resultiert in einem
Ansteigen der Raumtemperatur um etwa 4 K, die Veränderung des Massenstroms
von 5,5 auf 10 kg/(m 2 h) bringt nur eine Temperaturerhöhung von etwa 1
K mit sich.
Die Frage, durch welche Unterschiede in den Rechenmodellen die Abweichungen
bei den Raumtemperaturen zustande kommen, könnte durch

MODELLIERUNG 36
Vergleichsrechnungen mit HAUSer, bei denen variable Wärmeübergangskoeffizienten
angesetzt werden, eingegrenzt werden.
Eine 100%-ige Übereinstimmung ist aufgrund der unterschiedlichen Heizungsmodelle
nicht zu erwarten, da wie schon erwähnt z.B. der Verlegeabstand im
IDA-MODEL nicht variiert werden kann. Eine Variation dieses Abstandes ergab
bei HAUSer einen Unterschied in der Raumtemperatur von etwa 0,3 – 0,5 K.
Eine Differenz dieser Größenordnung ist also auch bei weiteren Anpassungen
ohnehin nicht auszuschließen.

MODELLIERUNG 37
Tabelle 5: Ergebnisse Plausibilitätsprüfung und Vergleich mit HAUSer.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
Abw.
[%]
Abw.
HAUS IDA
[K] HAUS3 IDA
Abw.
[K]
HAUS IDA
Abw.
[K]
HAUS IDA
Abw.
[K]
HAUS IDA
m [kg/(m 2 h)] T VL [°C]
Decke [W]
Rücklauftemp. [°C] TDecke [°C] TBoden [°C]
Raumtemp. [°C]
1 10,00 25,00 20,10 18,86 1,24 23,00 23,07 -0,07 21,80 22,14 -0,34 20,30 19,81 0,49 538,48 501,02 6,96
2 10,00 30,00 24,00 23,13 0,87 27,60 27,81 -0,21 26,10 26,74 -0,64 24,30 24,16 0,14 633,46 573,32 9,49
3 5,50 25,00 19,20 17,67 1,53 21,50 21,63 -0,13 20,90 18,60 2,30 19,50 20,86 -1,36 524,48 481,06 8,28
4 5,50 30,00 23,40 21,77 1,63 26,00 26,17 -0,17 25,30 25,28 0,02 23,70 22,77 0,93 595,25 550,24 7,56
Mittel: 1,32 Mittel: -0,15 Mittel: 0,83 Mittel: 0,73 Mittel: 8,07
5/1 1 ohne Heizung ohne 19,04 21,80 21,80 20,30 20,30 408,00
5/2 1 ohne Heizung ohne 22,98 26,10 26,10 24,30 24,30 480,55
5/3 1 ohne Heizung ohne 18,24 20,90 20,90 19,50 19,50 389,24
5/4 1 ohne Heizung ohne 22,33 25,30 25,30 23,70 23,70 450,61
10,00 26,6 20,10 20,08 24,4 23,43 21,02 521,15
6/1 2
Außenlufttemperatur -12 °C
keine Wärmegewinne
Infiltrationsluftwechsel 0,3 h -1
Randbedingungen:
1 In Zeilen 5/1 bis 5/4 sind die Ergebnisse aus Rechenläufen dargestellt, bei denen die Heizung ganz weggelassen wird und
stattdessen die entsprechenden Decken- bzw. Bodentemperaturen aus HAUS aus Zeilen 1 bis 4 hinter einer sehr dünnen
Schicht angesetzt werden.
2 In Zeile 6/1 sind die Ergebnisse aus einem Rechenlauf dargestellt, bei dem die Vorlauftemperatur für den Fall aus Zeile 1
soweit heraufgesetzt wird, bis sich die Raumtemperatur wie bei HAUS einstellt.

Tabelle 5 Fortsetzung
18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30
Abw.[%]
Abw. [%]
zugehörige
IDA-Datei 5
IDA
Sp. 22/27
IDA
Sp. 22/25
Abw.
[%] HAUS3 IDA Abw. [%] HAUS IDA
HAUS 3 IDA
T VL [°C]
m [kg/(m 2 h)]
M x C x (TVL-TRL) TL [°C]
4 [W]
Leistung erf
Leistung gesamt [W]
Boden [W]
1 10,00 25,00 100,87 121,13 -20,08 640,91 622,15 2,93 642,78 601,33 3,35 623,35 0,19 18,03 Vergl1.idm
2 10,00 30,00 105,54 135,14 -28,05 792,55 708,46 10,61 720,87 685,03 3,31 707,33 -0,16 22,21 Vergl2.idm
3 5,50 25,00 98,21 117,12 -19,26 624,24 598,18 4,18 624,76 578,10 3,36 598,64 0,08 16,87 Vergl3.idm
4 5,50 30,00 111,54 130,75 -17,22 708,57 680,99 3,89 708,86 658,40 3,32 680,36 -0,09 20,88 Vergl4.idm
MODELLIERUNG 38
Mittel: -21,15 Mittel: 5,40 Mittel: 3,33 Mittel: 0,13
5/1 1 ohne Heizung ohne 218,10 626,10 18,27 Vergl5_1.idm
5/2 1 ohne Heizung ohne 225,28 705,83 22,13 Vergl5_2.idm
5/3 1 ohne Heizung ohne 220,73 609,97 17,49 Vergl5_3.idm
5/4 1 ohne Heizung ohne 242,13 692,74 21,50 Vergl5_4.idm
6/1 2
10,00 26,6 125,1 646,25 19,37 Vergl6.idm
3 um die richtigen Vergleichswerte zu erhalten, wurden die HAUSer-Werte dieser Spalten mit einem Faktor
f = ABoden,Achsmaß / ABoden,Innenmaß = 27,98 / 25,1856 multipliziert. (ABoden,Innenmaß ist die Größe des Heizregisters wie
sie der Finite-Differenzen-Berechnung zugrunde lag.)
4 Leistungerf = U AW,m * A AW * (θ i -θ e) + 0.3 * V Raum * ρ Luft * C Luft * (θ i -θ e)
hier: U AW,m = 0.5886 W/(m2K); A = 17.95 m 2 ; V Raum = 92.734 m 3 ; ρ Luft * C Luft = 0.34 Wh/(m 3 K)
5 Alle aufgeführten Dateien befinden sich auf der beigefügten CD-Rom.

4.6 Bodenplattenkühlung
MODELLIERUNG 39
Zur Untersuchung von Regelungsstrategien zur sommerliche Kühlung über die
Sohlplatte wird ein Simulationsmodell benötigt, das einen Wärmeaustausch
über die Zirkulation des Wassers durch Decken- / Fußbodensystem des Büroraums
und das Rohrsystem in der Sohlplatte abbildet. (Zum Systemaufbau
siehe Kapitel 2 bzw. 5.3.1).
Standardmäßig ist in IDA ICE eine direkte Kopplung zweier wasserführender, in
verschiedenen Bauteilen verlegter Rohrregister ohne Zufuhr anlagentechnisch
erzeugter Wärme- oder Kälteenergie nicht vorgesehen. Es wird vorausgesetzt,
dass jedes System einzeln über Vorlauf und Rücklauf an den Wärmeerzeuger
(boiler) oder an einen Kälteerzeuger (chiller) angeschlossen ist. Diese Module
erzeugen nicht nur die gewünschte Heiz-/Kühlmitteltemperatur sondern auch
einen definierten Druck; eine Umwälzpumpe ist sozusagen integriert. Ein separates
Modul, welches ausschließlich dazu dient, die Flüssigkeit mit Druck zu
versehen, ohne Einfluss auf deren Temperatur zu nehmen, wird nicht
angeboten.
Wie in Kapitel 4.4 erläutert, wird jedoch vom verwendeten Heizungs- (hier:
Kühl-) Modul „flmass“ eine Mindest-Druckdifferenz gefordert, damit der dem
Reglersignal entsprechende Heizmittelmassenstrom aufrecht erhalten wird.
Daher wird das NMF-Modul „sim Chil“ für eine Kältemaschine herangezogen
und darauf reduziert, einen bestimmten Druck bereitzustellen. Dieses stark verkleinerte
Modul wird „pu“ genannt und beinhaltet im Prinzip nur eine Gleichung:
POut = pSetMax ⋅ PumpOn + pSetMin ⋅ (1-PumpOn)
Mit: POut [Pa] Austrittsdruck
PSetMax [Pa] Austrittsdruck wenn PumpOn = 1
PSetMin [Pa] Austrittsdruck wenn PumpOn = 0
(muss aus numerischen Gründen > 0 sein)
PumpOn [-] zeitabhängiges Steuersignal (hier entweder 0
oder 1; entspricht Aus- / Ein-Schalter)
PSetMax und PSetMin sind vom Anwender vorzugebende Parameter.
Das „pu“-Modul hat drei Schnittstellen und wird über diese einerseits mit dem
Rohrregister in der Bodenplatte und dem Register in der Bürodecke andererseits
verbunden. Mit der dritten Verbindung wird das Steuersignal PumpOn vom
Laufzeit-Plan nach Anwendervorgabe übergeben. (z.B. täglich 23-7 Uhr = 1
(ein) sonst = 0 (aus)).

MODELLIERUNG 40
Mit den beiden Rohrregistern werden folgende Variablen ausgetauscht:
Austausch mit
mit dem Modul „flmass“ in der
Bodenplatte
mit dem Modul „flmass“ in der
Bürodecke
POut [Pa] Wasserdruck bei Einlass in das Rohrregister
M [kg/s] Heizmittelmassenstrom (wird unverändert an
die Bürodecke„weitergereicht“)
T [°C] Heizmitteltemperatur (wird unverändert an
die Bürodecke„weitergereicht“)
PIn [Pa] Wasserdruck bei Auslass aus dem Rohrregister
(hier: 0 Pa)
M [kg/s] Heizmittelmassenstrom (wird unverändert an
die Bodenplatte „weitergereicht“)
T [°C] Heizmitteltemperatur (wird unverändert an
die Bodenplatte „weitergereicht“)
Die Drücke P1 und P2 im Modul „flmass“ (Kapitel 4.4) sind als sogenannte IN-
Variablen deklariert. Das bedeutet, dass die Werte als vorgegeben (z.B. von
einem anderen Modul) vorausgesetzt sind. Die Drücke POut und PIn im „pu“-
Modul hingegen sind als OUT-Variablen deklariert, d.h. die Werte werden in
diesem Modul selbst erzeugt und weitergegeben. In einem lauffähigen Modell
muss also eine IN-Variable an eine entsprechende OUT-Variable gekoppelt
sein; die Verbindung z.B. zweier IN-Variablen ist unverträglich und führt zu
einem Abbruch der Simulation. Dies bedeutet, das eine direkte Kopplung der
beiden „flmass“-Module in der Büroraumdecke bzw. in der Bodenplatte nicht
möglich ist, da je zwei IN-Variablen aufeinandertreffen würden. Aus diesem
Grund wird eine zweites „pu“-Modul zwischen die beiden Heizregister geschaltet,
um den Kreislauf schließen zu können.
Eine Untersuchung der Pumpen selbst (z.B. Auslegung oder Verbrauch an
elektrischer Energie) ist nicht Gegenstand dieser Arbeit. Die eingefügten
Module dienen lediglich als Hilfsmittel, um im Modell jederzeit den geforderten
Massenstrom in den Rohrregistern zu fördern und sind darüber hinaus
irrelevant.
In Bild 21 ist das Gesamtmodell für den Kühlfall zu sehen, so wie es in IDA ICE
schematisch dargestellt wird. Die schwarze Linie, die den Büroraum mit der
Zone verbindet, die den modellierten Teil der Bodenplatte enthält, reicht das
Reglersignal Contr (Kapitel 4.4) an das „flmass“-Modul in der Bodenplatte
weiter. Es wird nur ein Regler modelliert, der den Massenstrom in beiden Registern
in Abhängigkeit von der Raumlufttemperatur im Büroraum gleich
einstellt. Die Verwendung von zwei Reglern, auch wenn diese immer zur
gleichen Zeit das gleiche Signal geben, führt zu Divergenzen.

MODELLIERUNG 41
Büro
Flur
Bodenpl.
Bild 21: Schematische Darstellung des Modells für die Sohlplattenkühlung aus IDA ICE.
Alle IDA-Dateien auf der beigefügten CD-Rom mit den Dateinamen „Kü_*“ enthalten
dieses Modell.

5 Regelungsstrategien
REGELUNGSSTRATEGIEN 42
5.1 Grundvariationen und Bewertungskriterien
Die ausgewählten Regelungsstrategien werden für den Heiz- und den Kühlfall
getrennt untersucht, dabei wird für den Winter repräsentativ nur über den Monat
Januar simuliert, für den Sommer nur über den Monat Juli.
Es werden also statt nur einem Simulationsmodell, das „alles kann“, verschiedene
kleinere Modelle angefertigt, die speziell auf den Heiz- bzw. Kühlfall zugeschnitten
sind. Abgesehen von im Vergleich zur Ganzjahressimulation
geringeren Rechenzeiten und leichter handhabbaren Ergebnisdatenmengen,
bietet diese Vorgehensweise den Vorteil, dass die Simulationsmodelle übersichtlicher
und unempfindlicher z.B. gegenüber Konvergenzproblemen bleiben.
Durch die Trennung Heizen – Kühlen und die Außerachtlassung von Übergangsjahreszeiten
sind weniger „Regeln“ innerhalb der Modelle notwendig. Es
entfällt z.B. eine Abfrage, ob zum Zeitpunkt geheizt oder gekühlt wird, also ob
die Register in der Bürodecke gerade über die Heizanlage oder die Sohlplatte
beschickt werden sollen.
Bei allen untersuchten Regelungsstrategien, sowohl für den Heiz- als auch den
Kühlfall, erfolgt die Regelung der Raumlufttemperatur über den Wassermassenstrom
in den Rohrregistern. Die Vorlauftemperatur wird im Heizfall über eine
außentemperaturabhängige Heizkurve gesteuert; im Kühlfall ergibt sie sich aus
der Sohlplattentemperatur.
Die untersuchten Strategien variieren grundsätzlich in zweierlei Hinsicht:
Betriebsweise
a) nur Fußbodensystem (Boden)
b) nur Deckensystem (Decke)
c) beide Systeme gleichzeitig (Decke und Boden)
20 10
20
50
90 160
Fußbodensystem
150 150
Bild 22: Lage und Bezeichnung der Rohrregister im Büroraum
20
60
250
20
Deckensystem
350

REGELUNGSSTRATEGIEN 43
Betriebsbereitschaftszeit
d) während und außerhalb der Nutzungszeit (0-24)
e) außerhalb der Nutzungszeit von 23 Uhr bis 7 Uhr (23-7)
Die Betriebsweise gibt an, welches der beiden Rohrregister in der Bürodecke
eingesetzt wird. Für den Heizfall werden auch Varianten untersucht, bei denen
beide Register gleichzeitig beschickt werden.
Die Betriebsbereitschaftszeit ist gleichzusetzen mit der Zeit, in der die Umwälzpumpen
einsatzbereit sind. Welcher Massenstrom umgewälzt wird, hängt dann
von der Raumlufttemperatur ab.
Die Bewertung der verschiedenen Regelungsstrategien erfolgt nach den
folgenden Gesichtspunkten:
Energieverbrauch
a) Heizenergie [kWh]
b) Kühlenergie [kWh]
Heiz-/Kühlenergie:
Heiz- bzw. Kühlleistung werden für jeden Simulationszeitschritt aufgezeichnet
und ergeben multipliziert mit den einzelnen Zeitschritten und aufsummiert über
den jeweiligen Monat Energieverbräuche in kWh.
Behaglichkeitsempfinden der Nutzer
c) operative Temperatur [°C], Überschreitungshäufigkeit [h]
d) PPD [%],Überschreitungshäufigkeit [h], Mittelwert [%]
e) Übertemperaturgradstundenzahl Gh26 [Kh]
Operative Temperatur:
Die operative Temperatur ist ein Mittelwert aus mittlerer Raumluft- und mittlerer
Strahlungstemperatur (Kapitel 3.2.2). Sie wird bei den hier durchgeführten
Simulationen für den Mittelpunkt der Raumgrundfläche in 0,6 m Höhe über dem
Fußboden ermittelt. Damit soll die Lage des Schwerpunkts einer sitzenden
Person beschrieben werden.

PPD:
REGELUNGSSTRATEGIEN 44
Der PPD (predicted percentage of dissatisfied = vorausgesagter Prozentsatz
Unzufriedener) gibt über eine Unbehagen verursachende Klimaempfindung
oder die Unzufriedenheit von Menschen Aufschluss, indem er den Prozentsatz
der Menschen voraussagt, die es in einer gegebenen Umgebung wahrscheinlich
zu warm oder zu kalt finden werden. Der PPD lässt sich direkt aus dem
PMV (predicted mean vote = vorausgesagtes mittleres Votum) ableiten,
welches den Durchschnittswert für die Klimabeurteilung durch eine große Personengruppe
anhand folgender 7-stufiger Klimabeurteilungsskala vorhersagt
[20]:
Tabelle 6: PMV und PPD nach [20]
PMV Beurteilung PPD
+3 zu warm ≈ 99 %
+2 warm ≈ 75 %
+1 etwas warm ≈ 25%
0 neutral = 5 %
-1 etwas kühl ≈ 25 %
-2 kühl ≈ 75%
-3 kalt ≈ 99%
Der PPD wird demnach nie kleiner als 5%, d.h. mindestens 5% der Personen
sind in jedem Fall unzufrieden, egal wie die Klimabedingungen sind. Außer von
den Umgebungsparametern (Lufttemperatur, mittlere Strahlungstemperatur,
relative Luftgeschwindigkeit, partieller Wasserdampfdruck) wird der PPD durch
die körperliche Tätigkeit des Menschen (Energieumsatz [met]) und durch seine
Bekleidung (Isolationswert [clo]) beeinflusst.
Diese Parameter werden für die Simulationsrechnungen wie folgt gewählt:
Tabelle 7: Zugrunde gelegter Energieumsatz und Isolationswert.
Energieumsatz [met]
1 met = 58 W/m 2
Isolationswert [clo]
1 clo = 0,155 (m 2 K)/W
Heizfall (Winter) Kühlfall (Sommer)
0,95
für Unterhose, Unterhemd,
Hemd, Hose, Pullover,
Socken, Schuhe
1,2
für sitzende Tätigkeit (Büro)
0,6
für Unterhose, Hemd,
leichte Hose, Socken,
Schuhe
Die Regelungsstrategien werden hinsichtlich der Überschreitungshäufigkeiten
der auftretenden PPD-Werte während der Nutzungszeit miteinander verglichen.

REGELUNGSSTRATEGIEN 45
Um darüber hinaus das Behaglichkeitsempfinden der Nutzer für jede untersuchte
Strategie in einem Wert greifbar zu machen, wird jeweils der Mittelwert
des PPD für den entsprechenden Simulationsmonat herangezogen. Bei einer
Beurteilung anhand des Mittelwertes bleibt eine Gewichtung des zu einem
Zeitschritt gehörigen PPD-Wertes nach dessen Höhe, also eine Bewertung der
Intensität der Unzufriedenheit, unberücksichtigt. In [12] wird dafür eine Vorgehensweise
vorgeschlagen, bei der die PPD-Werte mit einem Gewichtungsfaktor
in Abhängigkeit von einem ausgewählten zulässigen PMV-Wert gewichtet
werden. Diese Vorgehensweise wird im Rahmen dieser Arbeit nicht aufgegriffen.
Zum einen werden die für die Berechnungen im Heizfall in keinem der
untersuchten Fälle PPD-Werte von 12% überschritten, d.h. man bewegt sich
ohnehin nur in einem engen PMV-Bereich von 0 bis maximal etwa –0,6 und
eine Gewichtung der einzelnen Zeitschritte würde an der Aussage, die über
Mittelwerte gemacht wird, praktisch nichts ändern. Im Kühlfall bewegen sich die
PPD-Werte in deutlich weiteren Grenzen, hier werden jedoch als zusätzliches
Bewertungskriterium die Übertemperaturgradstundenzahl herangezogen. Zum
anderen stellt sich die Frage, wie aussagekräftig eine Gewichtung der Intensität
der Unzufriedenheit von Personen überhaupt ist oder ob nicht vielmehr unzufrieden
gleich unzufrieden ist.
Übertemperaturgradstundenzahl:
Für die Kühlfall-Varianten wird zur zusätzlichen Kennzeichnung der Behaglichkeit
im Sommer die Übertemperaturgradstundenzahl herangezogen. Sie gibt
an, wie viele Stunden und mit welcher Intensität eine operative Temperatur von
26 °C überschritten wird [13].
GhÜbertemperatur = Σ (θoperativ – 26°C) ⋅ 1h
für θoperativ > 26°C
Diese Zahl wird jeweils einmal für den betrachteten Gesamtzeitraum und einmal
nur für die Nutzungszeit berechnet.
Den Untersuchungen bezüglich der Regelungsstrategien zugrunde gelegte
Bauteildaten, Geometrie und Nutzungsrandbedingungen sind Kapitel 4.1 und
4.2 zu entnehmen, sofern sie nicht in den folgenden Kapiteln speziell aufgeführt
werden.

5.2 Heizfall
REGELUNGSSTRATEGIEN 46
5.2.1 Außenlufttemperaturabhängige Heizkurve
Den Simulationsrechnungen für den Heizfall wird eine systemangepasste Heizkurve
zugrunde gelegt, über die die Vorlauftemperatur in Abhängigkeit von der
Außenlufttemperatur gesteuert wird. Die Kurve wird aufgrund von Simulationsrechnungen
unter stationären Randbedingungen
- keine Gewinne
- Luftwechsel Büroraum: konstant 0,1 h -1 Infiltration und 0,7 h -1 mit 80% WRG
- Luftwechsel Flur konstant 0,05 h -1 Infiltration
- Heizmittelmassenstrom nur Deckensystem: konstant 10 kg/(m 2 h)
erstellt. Bei konstanter Außenlufttemperatur wird die Vorlauftemperatur so
lange variiert, bis sich eine Raumlufttemperatur von 20°C einstellt. Diese Vorlauftemperatur
wird in die Heizkurve aufgenommen. Die auf diese Weise
ermittelte Heizkurve wird nach IDA ICE übertragen.
Vorlauftemperatur [°C]
35
33
31
29
27
25
23
21
19
17
33,75
30
Außenlufttemperaturabhängige Heizkurve
27,1
15
-20 -18 -16 -14 -12 -10 -8 -6 -4 -2 0 2 4 6 8 10 12 14
25,75
Außenlufttemperatur [°C]
Bild 23: Außenlufttemperaturabhängige Heizkurve
Das Deckensystem (mit m = 10 kg/(hm 2 )) wird zur Auslegung herangezogen,
weil es für den Heizfall die ungünstigste Variante darstellt. Die notwendigen
Vorlauftemperaturen zur Erreichung einer Raumlufttemperatur von 20°C sind
für das Fußbodensystem und besonders für beide Systeme im gemeinsamen
Betrieb etwas niedriger.
Eine Ermittlung der Heizkurve nach dem Berechnungsverfahren in [14], dem
Berechnungsalgorithmen aus [10] zugrunde liegen, ergibt niedrigere Vorlauftemperaturen.
Dabei bleibt allerdings auch z.B. der Flur unberücksichtigt.
24,5
23,1
21,7

REGELUNGSSTRATEGIEN 47
5.2.2 Aufheiz- und Abkühlverhalten der untersuchten Systeme
Um einschätzen zu können wie träge die untersuchten Systeme reagieren, also
wie lange es beispielsweise dauert, bis sich die Änderung der Vorlauftemperatur
auf die operative Temperatur auswirkt, werden Simulationsrechnungen unter
stationären Randbedingungen
- keine Gewinne
- Außenlufttemperatur konstant 0°C
- Luftwechsel Büroraum: konstant 0,1 h -1 Infiltration und 0,7 h -1 mit 80% WRG
- Luftwechsel Flur konstant 0,05 h -1 Infiltration
- Heizmittelmassenstrom nur Deckensystem: konstant 10 kg/(m 2 h)
- Heizmittelmassenstrom nur Fußsystem: konstant 10 kg/(m 2 h)
- Heizmittelmassenstrom beide Systeme gleichzeitig: konstant je 5 kg/(m 2 h)
durchgeführt.
operative Temperatur [°C]
21
20
19
18
17
16
Plötzliche Erhöhung der Vorlauftemperatur - θ e = 0°C , θ VL = 25,75°C
beide Systeme gleichz.
nur Deckensystem
nur Fußbodensystem
15
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44
Zeit [h]
Bild 24: Anstieg θop nach Heraufsetzen von θVL auf 25,75°C.
Bild 24 zeigt den Verlauf der operativen Temperatur über 48 Stunden, wenn die
Vorlauftemperatur aus einem eingeschwungenen Zustand plötzlich (zur Stunde
0) auf 25,75 °C heraufgesetzt wird. Diese Vorlauftemperatur ist gemäß Heizkurve
bei 0°C Außenlufttemperatur erforderlich (Bild 23). Das Deckensystem
erweist sich – wie erwartet – als deutlich träger. Nach 8 Stunden ist der Anstieg
der operativen Temperatur mit etwa 1 K bei dieser Variante nur halb so groß
wie bei den beiden anderen. Im Laufe der 48 Stunden nähern sich die beiden
Einzelsystemvarianten wieder einander an. Die Variante, bei der beide Systeme
gleichzeitig betrieben werden, verhält sich aufgrund der hier doppelt so großen
wärmeabgebenden Fläche, besonders gut.

REGELUNGSSTRATEGIEN 48
Wird die Vorlauftemperatur auf 40°C statt nur auf 25,75°C heraufgesetzt, ergeben
sich qualitativ die gleichen Kurvenverläufe (Bild 25). Nach 8 Stunden ist
allerdings für das Deckensystem die operative Temperatur schon um 2 K angestiegen,
für die beiden anderen Systeme sogar um 5 K. Hier sind nach 8
Stunden schon fast 21°C operative Temperatur erreicht.
operative Temperatur [°C]
30
29
28
27
26
25
24
23
22
21
20
19
18
17
16
beide Systeme gleichz.
nur Deckensystem
nur Fußbodensystem
Plötzliche Erhöhung der Vorlauftemperatur - θ e = 0°C , θ VL = 40°C
15
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44
Zeit [h]
Bild 25: Anstieg θop nach Heraufsetzen von θVL auf 40°C.
Für die Ableitung sinnvoller Betriebsbereitschaftszeiten ist die Kenntnis des
systemabhängigen Abkühlverhaltens ebenso erforderlich. Dazu wird untersucht,
wie schnell die operative Raumtemperatur absinkt, wenn die Systeme aus
einem eingeschwungenen Zustand mit etwa 20,5 °C operativer Temperatur
plötzlich abgeschaltet werden. Bild 26 zeigt den Veralauf der operativen Temperatur
über 48 Stunden. Im Falle der Beheizung mit dem Deckensystem kühlt
der Raum nur verhältnismäßig langsam aus, was das ebenfalls langsame Aufheizverhalten
dieses Systems im hier betrachteten Zusammenhang sozusagen
wieder „wett macht“. Auch hier erweist sich die Variante, bei der beide Systeme
zusammen betrieben werden als besonders gut. Trotz des schnellen
Aufheizens erfolgt eine Abkühlung des Raumes nur relativ langsam.

operative Temperatur [°C]
21
20,5
20
19,5
19
18,5
18
17,5
REGELUNGSSTRATEGIEN 49
Abschalten Heizsystem - θ e = 0°C
17
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44
Zeit [h]
Bild 26: Verlauf θop nach Abschalten der Systeme.
beide Systeme gleichz.
nur Deckensystem
nur Fußbodensystem
Bei außenlufttemperaturabhängiger Steuerung der Vorlauftemperatur (Heizkurve)
gilt für die Fußbodenvariante in etwa: Der Temperaturverlust nach der
Abschaltung des Systems über einen bestimmten Zeitraum ist innerhalb der
Hälfte dieser Zeit nach erneutem Anschalten des Systems wieder ausgeglichen,
d.h. der ursprüngliche Wert ist wieder erreicht. Neben einer 24-stündigen Betriebsbereitschaftszeit
wird also auch das Systemverhalten bei nur 8-stündiger
Betriebsbereitschaft während der Nacht (23 – 7 Uhr) untersucht. Da davon ausgegangen
wird, dass die Solltemperatur während der Nutzungszeit durch die
internen Gewinne gehalten werden kann, endet die Systembereitschaft bei
Nutzungsbeginn.

5.2.3 Untersuchte Strategien
REGELUNGSSTRATEGIEN 50
Für den Heizfall werden insgesamt 6 verschiedene Varianten untersucht, die in
der folgenden Tabelle zusammengestellt sind.
Tabelle 8: Untersuchte Regelungsstrategien für den Heizfall
Nr. Bezeichnung Erläuterung IDA-Dateiname
1 Boden 0-24 Beheizung nur mit Fußbodensystem
Systembereitschaft 24 Stunden
max. Massenstrom 10 kg/(m 2 h)
2 Decke 0-24 Beheizung nur mit Deckensystem
Systembereitschaft 24 Stunden
max. Massenstrom 10 kg/(m 2 h)
3 Decke und Boden 0-24 Beheizung mit beiden Heizregistern
Systembereitschaft 24 Stunden
max. Massenstrom 5 kg/(m 2 h)
je Register
4 Boden 23-7 Beheizung nur mit Fußbodensystem
Systembereitschaft 8 Stunden
von 23 – 7 Uhr
max. Massenstrom 10 kg/(m 2 h)
5 Decke 23-7 Beheizung nur mit Deckensystem
Systembereitschaft 8 Stunden
von 23 – 7 Uhr
max. Massenstrom 10 kg/(m 2 h)
6 Decke und Boden 23-7 Beheizung mit beiden Heizregistern
Systembereitschaft 8 Stunden
von 23-7 Uhr
max. Massenstrom 5 kg/(m 2 h)
je Register
H_Fu_A
H_De_A
H_De+Fu_A
H_Fu_B
H_De_B
H_De+Fu_B
Der maximale Gesamtheizmittelstrom wird also für alle Varianten gleich angesetzt.
Er beträgt 10 kg/(m 2 h). Bei der Beheizung mit beiden Rohrregistern
gleichzeitig wird der Massenstrom gleichmäßig auf die beiden Systeme aufgeteilt
(maximal 2 x 5 kg/(m 2 h)).
Die Heizfallsimulationen werden nur über den Monat Januar durchgeführt. Für
die Start- oder Einschwingphase wird periodisch der 1. Januar gewählt. Der
Tagesmittelwert der Außenlufttemperatur dieses Tages liegt etwa 1 K über dem
Monatsmittelwert. Der 1. Januar wird vor Beginn der eigentlichen Monatssimulation
so oft durchgerechnet, bis eine Ergebnisabweichung vom einen zum
nächsten Rechengang in der Höhe von 1 /100 unterschritten wird. Für die erste

REGELUNGSSTRATEGIEN 51
Variante (Boden 0-24) werden beispielsweise 4 Startperioden durchgerechnet,
um diese Genauigkeit zu erreichen.
5.2.4 Rechenergebnisse und Auswertung
Für jede der 6 Varianten wird zunächst der Verlauf der operativen Temperatur,
der mittleren Oberflächentemperatur des Bodens, der mittleren Oberflächentemperatur
der Decke, der Raumlufttemperatur und der Heizleistung über die 2.
Januarwoche in einem Diagramm aufgezeichnet. Dies ermöglicht einen
schnellen aber dennoch detaillierten Gesamtüberblick über das Verhalten der
einzelnen Systeme. Für die erste (Boden 0-24) und vierte Variante (Boden 23-
7) wird beispielhaft auch der Verlauf der Vor- bzw. Rücklauftemperatur sowie
des Wassermassenstroms im Rohrregister dargestellt.
Der 8.1 ist ein Montag, demnach sind die beiden letzten dargestellten Tage das
Wochenende, an dem keine Nutzung stattfindet (Randbedingungen während /
außerhalb der Nutzungszeit siehe Kapitel 4.2).
Vorweg noch einmal die wichtigsten Wetterdaten für die zweite Januarwoche im
Diagramm:
Außenlufttemperatur [°C]
Außenlufttemperatur, Strahlungsdaten - 2. Januarwoche
10
80
9 Außenlufttemperatur
8
7
Intensität diffuse Strahlung Büroraum Fensterinnenseite
Intensität direkte Strahlung Büroraum Fensterinnenseite
70
6
5
60
4
50
3
2
40
1
0
30
-1
-2
20
-3
-4
10
-5
0
8.1 9.1 10.1 11.1 12.1 13.1 14.1 15.1
Tag im Jahr
Bild 27: Wichtige Wetterdaten 2. Januarwoche.
In der zweiten Januarwoche gelangt also keine direkte Strahlung in den Büroraum.
Die Jalousien sind zu keinem Zeitpunkt geschlossen (siehe auch Bild 11).
Die Temperatur der Außenluft bewegt sich etwa zwischen –5°C und +8°C; zum
Wochenende hin wird es zunächst deutlich kälter, im Laufe des Sonntags steigt
die Außenlufttemperatur dann wieder stark an.
Strahlungsintensität [W/m 2 ]

Temperatur [°C]
24,0
23,5
23,0
22,5
22,0
21,5
21,0
20,5
20,0
19,5
REGELUNGSSTRATEGIEN 52
Boden 0-24 - Heizfall (2. Januarwoche)
19,0
0
8.1 9.1 10.1 11.1 12.1 13.1 14.1 15.1
Tag im Jahr
operative Temperatur Oberflächentemp. Boden Oberflächentemp. Decke Raumlufttemperatur Heizleistung
Bild 28: Boden 0-24, div. Systemtemperaturen und Heizleistung, 2. Januarwoche.
Temperatur [°C]
27,0
26,0
25,0
24,0
23,0
22,0
21,0
Boden 0-24 - Heizfall (2. Januarwoche)
20,0
0
8.1 9.1 10.1 11.1 12.1 13.1 14.1 15.1
Tag im Jahr
Vorlauftemperatur Rücklauftemperatur Wassermassenstrom
Bild 29: Boden 0-24; Vorlauf, Rücklauf, Wassermassenstrom; 2. Januarwoche.
In Bild 28 und 29 ist das Systemverhalten der 1. Variante (nur Fußbodensystem,
24-stündige Betriebsbereitschaft) während der 2. Januarwoche
aufgezeichnet. Den Diagrammen ist zu entnehmen, dass bei ständiger Systembetriebsbereitschaft
der Wassermassenstrom (Bild 29, Schwarz) während des
Tages aufgrund von internen und solaren Gewinnen heruntergeregelt wird. Dies
hat eine verringerte Leistungsabgabe (Bild 28, Rot) zur direkten Folge. Am
Wochenende ist dieses Absinken des Massenstroms bzw. der Leistung weit
weniger ausgeprägt, da dann die internen Gewinne entfallen. Der maximal eingeregelte
Wassermassenstrom liegt für diese 24-Stunden-Variante bei etwa 6
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
Heizleistung [W]
Wassermassenstrom [kg/(m 2 h)]

REGELUNGSSTRATEGIEN 53
kg/(m 2 h), der maximal mögliche Massenstrom (10 kg/m 2 h) wird also nie angefordert.
Dies ist nicht weiter verwunderlich, da in der außentemperaturabhängigen
Heizkurve weder interne noch solare Gewinne berücksichtigt sind.
Der Verlauf der Rücklauftemperatur (Bild 29, Blau) ist während der Woche etwa
proportional zum Verlauf des Wassermassenstroms: Eine Verringerung des
Massenstroms hat eine Vergrößerung der Spreizung zur Folge; die Vorlauftemperatur
sinkt also ab, bis sie fast Raumlufttemperaturniveau erreicht. Die
maximale Spreizung tritt mit etwa 4 K am kältesten Wochentag (12.1) auf.
Dass die Heizkurve (Bild 23) im Bereich –5°C bis +10°C praktisch linear
verläuft, spiegelt sich im Verlauf der Vorlauftemperatur wider. Sie verläuft umgekehrt
proportional zur Außenlufttemperatur (siehe Bild 27).
Temperatur [°C]
24,0
23,5
23,0
22,5
22,0
21,5
21,0
20,5
20,0
19,5
Decke 0-24 - Heizfall (2. Januarwoche)
19,0
0
8.1 9.1 10.1 11.1 12.1 13.1 14.1 15.1
Tag im Jahr
operative Temperatur Oberflächentemp. Boden Oberflächentemp. Decke Raumlufttemperatur Heizleistung
Bild 30: Decke 0-24, div. Systemtemperaturen und Heizleistung, 2. Januarwoche.
Bild 30 zeigt die wichtigsten Temperaturverläufe und den Verlauf der
Heizleistung für Variante 2 (nur Deckensystem, 24-stündige Betriebsbereitschaft).
Das in diesem Fall, anders als bei der ersten Variante, die Oberflächentemperatur
der Decke immer über der des Bodens liegt, versteht sich von
selbst. Das trägere Verhalten des Deckensystems spiegelt sich in zackigeren
Kurvenverläufen mit ausgeprägteren Peaks als beim Fußbodensystem wider.
Das Deckensystem ist praktisch nie fertig eingeschwungen, „Kurvenplateaus“
wie beim Fußbodensystem (Bild 28) treten entsprechend nicht auf.
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
Heizleistung [W]

Temperatur [°C]
24,0
23,5
23,0
22,5
22,0
21,5
21,0
20,5
20,0
19,5
REGELUNGSSTRATEGIEN 54
Decke und Boden 0-24 - Heizfall (2. Januarwoche)
19,0
0
8.1 9.1 10.1 11.1 12.1 13.1 14.1 15.1
Tag im Jahr
operative Temperatur Oberflächentemp. Boden Oberflächentemp. Decke Raumlufttemperatur Heizleistung
Bild 31: Decke und Boden 0-24, div. Systemtemperaturen und Heizleistung, 2. Januarwoche.
Werden Decken- und Fußbodensystem gleichzeitig betrieben, liegen die Oberflächentemperaturen
erwartungsgemäß sehr dicht beieinander (Bild 31).
Im folgenden wird das Bodensystem bei nur 8-stündiger Betriebsbereitschaft
von 23-7 Uhr betrachtet (Bild 32 und 33). Bei dieser Variante sinkt das Temperaturniveau
insgesamt etwas ab. Die operative Temperatur beträgt während der
Nutzungszeit aber weiterhin mindestens 21°C. Auch außerhalb der Nutzung
unterschreiten die Temperaturen nie die 19°C-Marke. Zu Beginn der Betriebsbereitschaftszeit
wird jetzt stets der maximale Massenstrom (Bild 33, Schwarz)
angefordert, um die Soll-Raumlufttemperatur möglichst schnell wieder einzuregeln.
Entsprechend hat auch die Heizleistungskurve (Bild 32, Rot) ausgeprägte
Peaks zu Beginn der Betriebsbereitschaftszeit. Der Maximalwert der
Heizleistung liegt hier mit etwa 1600 W mehr als 1000 W über dem Maximalwert
bei ständiger Betriebsbereitschaft.
Auch die maximale Spreizung ist für diesen Fall entsprechend größer. Sie tritt
mit etwa 6 K zu Beginn der Betriebsbereitschaftszeit am Wochenende auf.
Das eigentümlich eckige Aussehen der Vorlauftemperaturkurve (Bild 33, Rot)
außerhalb der Betriebsbereitschaftszeit soll nicht weiter verwundern. Da in
diesen Zeiträumen ein für die Simulationsberechnungen benötigter minimaler
Massenstrom sozusagen im System verbleibt, sinkt die Vorlauftemperatur
einfach langsam ab. Während der Betriebsbereitschaftszeiten hat sie aber
genau den gleichen Verlauf wie in Bild 29.
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
Heizleistung [W]

REGELUNGSSTRATEGIEN 55
Weiterhin bemerkenswert für diese Fußbodensystemvariante ist, das zum Ende
der „System-Aus-Zeiten“ die Oberflächentemperatur des Fußbodens sogar
unter die der Decke fällt (besonders deutlich beim Wechsel 14/15.1, Bild 32,
Schwarz und Grau).
Temperatur [°C]
24,0
23,5
23,0
22,5
22,0
21,5
21,0
20,5
20,0
19,5
Boden 23-7 - Heizfall (2. Januarwoche)
19,0
0
8.1 9.1 10.1 11.1 12.1 13.1 14.1 15.1
Tag im Jahr
operative Temperatur Oberflächentemp. Boden Oberflächentemp. Decke Raumlufttemperatur Heizleistung
Bild 32: Boden 23-7, div. Systemtemperaturen und Heizleistung, 2. Januarwoche.
Temperatur [°C]
27,0
26,0
25,0
24,0
23,0
22,0
21,0
Boden 23-7 - Heizfall (2. Januarwoche)
20,0
0
8.1 9.1 10.1 11.1 12.1 13.1 14.1 15.1
Tag im Jahr
Vorlauftemperatur Rücklauftemperatur Wassermassenstrom
Bild 33: Boden 23-7; Vorlauf, Rücklauf, Wassermassenstrom; 2. Januarwoche.
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
10
9
8
7
6
5
4
3
2
1
Heizleistung [W]
Wassermassenstrom [kg/(m 2 h)]

REGELUNGSSTRATEGIEN 56
Bild 34 belegt folgendes: Die größere Trägheit kommt dem Deckensystem im
Falle der verkürzten Betriebsbereitschaftszeit zugute. Da das System in der
Zwischenzeit weniger stark auskühlt, sind die Leistungsspitzen zu Beginn der
Betriebsbereitschaftszeit schwächer ausgeprägt als beim Fußbodensystem.
Aus dem gleichen Grund kann auch das Niveau der Raumluft- bzw. operativen
Temperatur während der Nutzungszeit geringfügig höher gehalten werden (0,2
bis 0,3 K).
Temperatur [°C]
24,0
23,5
23,0
22,5
22,0
21,5
21,0
20,5
20,0
19,5
Decke 23-7 - Heizfall (2. Januarwoche)
19,0
0
8.1 9.1 10.1 11.1 12.1 13.1 14.1 15.1
Tag im Jahr
operative Temperatur Oberflächentemp. Boden Oberflächentemp. Decke Raumlufttemperatur Heizleistung
Bild 34: Decke 23-7, div. Systemtemperaturen und Heizleistung, 2. Januarwoche.
Werden Decken- und Bodensystem gleichzeitig betrieben, liegt die operative
Temperatur während der Nutzung noch einmal 0,2 bis 0,3 K höher (Bild 35).
Temperatur [°C]
24,0
23,5
23,0
22,5
22,0
21,5
21,0
20,5
20,0
19,5
Decke und Boden 23-7 - Heizfall (2. Januarwoche)
19,0
0
8.1 9.1 10.1 11.1 12.1 13.1 14.1 15.1
Tag im Jahr
operative Temperatur Oberflächentemp. Boden Oberflächentemp. Decke Raumlufttemperatur Heizleistung
Bild 35: Decke und Boden 23-7, div. Systemtemperaturen und Heizleistung, 2. Januarwoche.
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
Heizleistung [W]
Heizleistung [W]

REGELUNGSSTRATEGIEN 57
Nachfolgend werden ausgewählte Ergebnisse der gesamten Monatssimulation
von allen 6 Varianten in je einem Diagramm zusammengefaßt, um Unterschiede
und Gemeinsamkeiten noch einmal deutlich zu machen.
Die Überschreitungshäufigkeit operativer Temperaturen während und außerhalb
der Nutzungszeit im Januar (Bild 36) kennzeichnet, an wie vielen Stunden
des gesamten Monats eine bestimmte operative Temperatur überschritten wird.
Wie erwartet schneiden die Systeme mit ständiger Betriebsbereitschaft
durchweg etwas besser ab. Für das Fußbodensystem im Dauerbetrieb
(Schwarz) wird beispielsweise eine operative Temperatur von 21°C an allen
744 Stunden des Monats überschritten, während diese Temperatur bei Einschränkung
der Betriebsbereitschaft auf 8 Stunden (23-7 Uhr) (Grau) nur an
etwa 250 Stunden überschritten wird.
Überschreitungshäufigkeit [h]
700
650
600
550
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
Heizfall (Januar)
0
19,5 20 20,5 21 21,5 22 22,5 23 23,5
operative Temperatur [°C]
Boden 0-24
Decke 0-24
Decke und Boden 0-24
Boden 23-7
Decke 23-7
Decke und Boden 23-7
Bild 36: Überschreitungshäufigkeit operativer Temperaturen während und außerhalb der Nutzungszeit
im Januar.
Wirklich kalt wird der Büroraum jedoch in keinem der untersuchten Fälle, wie
Bild 37 zeigt. Die operative Temperatur sinkt während des gesamten
simulierten Wintermonats nie unter 19,5 °C.

Minimale operative Temperatur [°C]
23
22
21
20
19
18
17
16
15
21,0
Boden 0-24
20,8
Decke 0-24
REGELUNGSSTRATEGIEN 58
Minimale operative Temperatur (Heizfall)
21,1
Decke und
Boden 0-24
Bild 37: Kleinste operative Temperatur im Januar.
Betrachtet man die Überschreitungshäufigkeit der PPD-Werte nur über die
Nutzungszeit (insgesamt 207 Stunden im Januar), schneiden hier die 24-
Stunden-Varianten ebenfalls etwas besser ab (Bild 38). Auch dieses Bild verdeutlicht
die positive Eigenschaft des nur sehr langsamen Auskühlens des
Deckensystems bei verkürzter Betriebsbereitschaft (Hellblau). PPD-Werte bis
etwa 8 % werden bei dieser Variante seltener überschritten als bei Beheizung
mit dem Fußbodensystem bei gleicher Betriebsbereitschaftszeit (Pink).
Überschreitungshäufigkeit (Arbeitszeit) [h]
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
Heizfall (Januar)
0
5 6 7 8 9 10 11 12
PPD [%]
19,5
Boden 23-7
20,1
Decke 23-7
Boden 0-24
Decke 0-24
Decke und Boden 0-24
Boden 23-7
Decke 23-7
Decke und Boden 23-7
Bild 38: Überschreitungshäufigkeit von PPD-Werten während der Nutzungszeit im Januar.
20,2
Decke und
Boden 23-7

REGELUNGSSTRATEGIEN 59
Absolut sind aber die Unterschiede zwischen den einzelnen Varianten
bezüglich der thermischen Behaglichkeit sehr gering. PPD-Werte über 10%
werden praktisch nie überschritten. Im folgenden Diagramm sind die mittleren
PPD-Werte für alle Varianten einander gegenübergestellt.
mittlerer PPD [%]
7,5
7
6,5
6
5,5
5
5,93 5,90
mittlerer PPD - Nutzungszeit im Januar
5,69
Boden 0-24 Decke 0-24 Decke und Boden
0-24
Bild 39: mittlere PPD für die Nutzungszeit im Januar.
7,28
6,94
6,26
Boden 23-7 Decke 23-7 Decke und Boden
23-7
Der Verlauf des PPD über einen Arbeitstag ist am Beispiel des 11. Januar für
die beiden Deckenvarianten im folgenden Bild (40) dargestellt. Die thermischen
Bedingungen zu Arbeitsbeginn – im Diagramm durch den Peak gekennzeichnet
– verbessern sich rasch durch interne Gewinne. Durch die solaren Gewinne
sinkt der PPD im Tagesverlauf bis etwa 15 Uhr langsam weiter ab. Ab etwa
diesem Zeitpunkt vermindern sich die solaren Gewinne und der PPD steigt
wieder an.
PPD [%]
10
9,5
9
8,5
8
7,5
7
6,5
6
5,5
PPD - Nutzungszeit 11. Januar - Decke
5
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Stunden
Bild 40: PPD-Verlauf, Nutzungszeit 11. Januar.
Decke 0-24
Decke 23-7

REGELUNGSSTRATEGIEN 60
Auch die vertikale Temperaturdifferenz im Raum nimmt Einfluß auf die thermische
Behaglichkeit. Der Unterschied zwischen Fußboden- und Deckenoberflächentemperatur
sollte möglichst gering sein. Das nachfolgende Balkendiagramm
(Bild 41) zeigt die maximalen Temperaturdifferenzen die für den
Simulationsmonat Januar berechnet werden. Wie erwartet ist die Differenz bei
den Varianten mit Betrieb beider Heizregister am geringsten. Aber auch die
„schlechteste“ Variante ist mit 2 K Differenz praktisch völlig unproblematisch.
max(abs(θsBoden - θsDecke))
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
1,2
Maximal Oberflächentemperaturdifferenz Boden - Decke (Heizfall)
1,8
0,4
Boden 0-24 Decke 0-24 Decke und Boden
0-24
1,9
2,0
0,6
Boden 23-7 Decke 23-7 Decke und Boden
23-7
Bild 41: Maximale Oberflächentemperaturdifferenz Boden – Decke, Januar.
Die im gesamten Monat Januar aufgebrachte Heizenergie wird abschließend in
Bild 42 für die 6 Varianten einander gegenübergestellt. Die maximale
Abweichung der Verbräuche zueinander beträgt etwa 8 %.
Heizenergie [kWh]
200
180
160
140
120
100
80
60
40
20
0
186 187 189
Heizenergie - Januar
Boden 0-24 Decke 0-24 Decke und Boden
0-24
Bild 42: Heizenergie Monat Januar.
174
176
182
Boden 23-7 Decke 23-7 Decke und Boden
23-7

5.3 Kühlfall
5.3.1 Untersuchte Strategien
REGELUNGSSTRATEGIEN 61
Für den Kühlfall werden insgesamt 10 verschiedene Varianten untersucht, die
in der folgenden Tabelle zusammengestellt sind.
Tabelle 9: Untersuchte Regelungsstrategien für den Kühlfall
Nr. Bezeichnung Erläuterung IDA-Dateiname
1
Boden 0-24 (Sohlplatte) Kühlung nur mit Fußbodensystem über
die Sohlplatte, Erdreich 15°C
Systembereitschaft 24 Stunden
2 Boden 0-24 (Anlage) Kühlung nur mit Fußbodensystem über
eine Anlage, θVL = 20°C
Systembereitschaft 24 Stunden
3
Decke 0-24 (Sohlplatte) Kühlung nur mit Deckensystem über die
Sohlplatte, Erdreich 15°C
Systembereitschaft 24 Stunden
4 Decke 0-24 (Anlage) Kühlung nur mit Deckensystem über
eine Anlage, θVL = 20°C
Systembereitschaft 24 Stunden
5
Boden 23-7 (Sohlplatte) Kühlung nur mit Fußbodensystem über
die Sohlplatte, Erdreich 15°C
Systembereitschaft 8 Stunden
von 23-7 Uhr
6 Boden 23-7 (Anlage) Kühlung nur mit Fußbodensystem über
eine Anlage, θVL = 20°C
Systembereitschaft 8 Stunden
von 23-7 Uhr
7
Decke 23-7 (Sohlplatte) Kühlung nur mit Deckensystem über die
Sohlplatte, Erdreich 15°C
Systembereitschaft 8 Stunden
von 23-7 Uhr
8 Decke 23-7 (Anlage) Kühlung nur mit Deckensystem über
eine Anlage, θVL = 20°C
Systembereitschaft 8 Stunden
von 23-7 Uhr
10 Decke 0-24 (Sohlplatte,
10°C)
Kühlung nur mit Deckensystem über die
Sohlplatte, Erdreich 10°C
Systembereitschaft 24 Stunden
Kü_Fu_A
idKü_Fu_A
Kü_De_A
idKü_De_A
Kü_Fu_B
idKü_Fu_B
Kü_De_B
idKü_De_B
Kü_De_A_Bo10
9 ohne Kühlung Referenzfall ohne Kühlung Kü_De_A_Ref1

REGELUNGSSTRATEGIEN 62
Es werden also einerseits Varianten untersucht, bei denen die Kühlung der
Decke / des Bodens im Büroraum über die Sohlplatte erfolgt. Zum Vergleich
werden entsprechende Varianten gerechnet, bei der die Kühlung über eine
Anlage erfolgt, die stets eine Vorlauftemperatur von 20°C zur Verfügung stellt.
Eine Variante ganz ohne Kühlung dient als Referenz.
Der Aufbau der Sohlplatte und die Materialdaten, so wie sie den Simulationsrechnungen
zugrunde liegen, sind in Bild 43 dargestellt.
570
80 320 120 50
150 150
Sohlplattenregister
Bild 43: Aufbau Sohlplatte, Materialdaten
Material
Estrich
Dämmung
Beton
Erdreich
λ
[W/(mK)]
1,4
0,035
2,1
1,4
ρ
[kg/m 3 ]
2000
30
2400
1650
c
[J/(kgK)]
1000
1380
1050
Unter dem Beton wird eine 1 m dicke Erdreichschicht mit den oben angegebenen
Materialdaten modelliert. Wärmeleitfähigkeit, Rohdichte und spezifische
Wärmekapazität sind gemittelte Werte für feuchte, locker, sandige Erde nach
[15]. Tatsächlich hängt die Wärmeleitfähigkeit des Bodens stark vom Feuchtegehalt
ab und kann um den Faktor 3 zwischen trockenem und gesättigtem
Boden schwanken [16]. Auch nach dieser Quelle ist 1,4 W/(mK) ein mittlerer
Wert für feuchten Sand.
Unter der 1 m dicken Erdreichschicht wird eine Temperatur von 15°C konstant
angesetzt. Dies ist ein Mittelwert aus Messungen in 1 m unter dem Realgebäude
Ende Juni / August in [3] bzw. [17]. In der letzten Simulationsvariante
wird diese Temperatur zum Vergleich auf 10°C herabgesetzt.
Es wird nicht die gesamte Sohlplatte des Gebäudes simuliert, sondern nur der
Fußboden eines Kellerraumes. Die Grundfläche des Raumes ist genauso groß
wie die des Büroraumes; der Boden und die Außenwand grenzen an das
Erdreich. Nur die Hälfte der Grundfläche (12,55 m 2 ) wird mit dem Kühlsystem
versehen. In den Simulationsrechnungen wird somit das Verhältnis zur Verfügung
stehende Sohlplattenfläche / Büroraumgrundfläche gleich 1:2 gesetzt.
Sollen alle Gebäudedecken oberhalb des Kellers gleichzeitig über die Sohlplatte
angefahren werden, beträgt das Verhältnis 1:3 (Sohlplatte :
EG+1.OG+2.OG). In den Simulationen wird also unterstellt, dass nur die beiden
Bürogeschosse (1. und 2. OG) gleichzeitig angefahren werden.
840
s
[m]
0,05
0,12
0,40
1,00

REGELUNGSSTRATEGIEN 63
Laut [17] stellt sich die optimale thermische Wirkung bei einem Massenstrom
von etwa 16 kg/(m 2 h) ein. Dieser Massenstrom wird in den Simulationsrechnungen
für das Rohrregister in der Sohlplatte als oberes Limit angesetzt. Für
den Büroraum ergibt sich also ein maximaler Massenstrom von 8 kg/(m 2 h),
wenn dort nur Decke oder Boden zum Kühlen eingesetzt wird.
Varianten, bei denen Decken- und Fußbodensystem im Büroraum gleichzeitig
mit maximal nur 4 kg/(m 2 h) beschickt werden, scheinen hinsichtlich ihrer thermischen
Wirkung nicht mehr sinnvoll. Sie werden daher hier nicht untersucht.
5.3.2 Abkühl- und Aufwärmverhalten der untersuchten Systeme
Der Vollständigkeit halber wird auch für den Kühlfall untersucht, wie schnell sich
die operative Temperatur nach Einschalten der Systeme verändert. Die Berechnungen
werden unter stationären Randbedingungen durchgeführt:
- keine Gewinne
- Außenlufttemperatur konstant 26°C
- Luftwechsel Büroraum: konstant 0,8 h -1 mit Außenlufttemperatur
- Luftwechsel Flur konstant 0,05 h -1 Infiltration
- Heizmittelmassenstrom nur Deckensystem: konstant 8 kg/(m 2 h)
- Heizmittelmassenstrom nur Fußsystem: konstant 8 kg/(m 2 h)
- Temperaturrandbedingungen Flurwände nach Kapitel 4.1
Die Vorlauftemperatur wird unter zu Hilfenahme eines Kälteerzeugers auf
konstant 20°C / 12°C gehalten. Die Verläufe der operativen Temperatur über 48
Stunden nach Einschalten der Systeme sind in den nachfolgenden
Diagrammen (Bild 44 und 45) zu sehen.
Operative Temperatur [°C]
24,5
24
23,5
23
22,5
Einschalten Kühlsysteme - θ e = 26°C , θ VL = 20°C
22
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44
Zeit [h]
nur Deckensystem
nur Fußbodensystem
Bild 44: Verlauf der θop nach Einschalten der Kühlsysteme mit θVL = 20°C.

operative Temperatur [°C]
24
23
22
21
20
19
REGELUNGSSTRATEGIEN 64
Einschalten Kühlsysteme - θ e = 26°C, θ VL = 12°C
18
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44
Zeit [h]
Bild 45: Verlauf der θop nach Einschalten der Kühlsysteme mit θVL = 12°C.
nur Deckensystem
nur Fußbodensystem
Wie erwartet kühlt sich der Raum bei Ansatz der geringeren Vorlauftemperatur
deutlich schneller ab. Qualitativ gleichen sich die Verläufe. Die ersten 24
Stunden wird der Raum durch das Fußbodensystem etwas stärker gekühlt,
danach verhält sich das Deckensystem günstiger.
operative Temperatur [°C]
22,7
22,5
22,3
22,1
21,9
21,7
nur Deckensystem
nur Fußbodensystem
Abschalten Kühlsysteme - θ e = 26°C
21,5
0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44
Zeit [h]
Bild 46: Verlauf der θop nach Abschalten der Kühlsysteme.
Bei Vernachlässigung solarer Gewinne heizt sich der Raum nach Abschaltung
der Kühlsysteme in beiden Fällen nur sehr langsam wieder auf, wie Bild 46
zeigt.

5.4 Rechenergebnisse und Auswertung
REGELUNGSSTRATEGIEN 65
Für jede der 10 Varianten wird analog zu den Heizfalluntersuchungen zunächst
der Verlauf der operativen Temperatur, der mittleren Oberflächentemperatur
des Bodens, der mittleren Oberflächentemperatur der Decke, der Raumlufttemperatur
und der Kühlleistung über die 2. Juliwoche in einem Diagramm aufgezeichnet.
Für die erste (Boden 0-24 (Sohlplatte), zweite (Boden (0-24 (Anlage)),
fünfte (Boden 23-7 (Sohlplatte)) und sechste Variante (Boden 23-7 (Anlage))
wird beispielhaft auch der Verlauf der Vor- bzw. Rücklauftemperatur sowie des
Wassermassenstroms im Rohrregister dargestellt.
Der 9.7 ist ein Montag, demnach sind die beiden letzten dargestellten Tage das
Wochenende, an dem keine Nutzung stattfindet (Randbedingungen während /
außerhalb der Nutzungszeit siehe Kapitel 4.2).
Vorweg noch einmal die wichtigsten Wetterdaten für die zweite Juliwoche im
Diagramm:
Außenlufttemperatur [°C]
32
30
28
26
24
22
20
18
16
14
12
10
Außenlufttemperatur, Strahlungsdaten - 2. Juliwoche
Außenlufttemperatur
Intensität diffuse Strahlung Büroraum Fensterinnenseite
Intensität direkte Strahlung Büroraum Fensterinnenseite
8
0
9.7 10.7 11.7 12.7 13.7 14.7 15.7 16.7
Bild 47: Wichtige Wetterdaten, 2. Juliwoche.
Tag im Jahr
In der zweiten Juliwoche gelangt sehr viel direkte Strahlung in den Büroraum,
daher sind die Jalousien während der Nutzungszeit meist geschlossen (siehe
auch Bild 12). Die Temperatur der Außenluft bewegt sich zwischen 9°C und
maximal 32°C. Zur Wochenmitte nimmt sie zunächst etwas ab, um dann zum
Wochenende hin wieder auf Höchstwerte anzusteigen.
350
300
250
200
150
100
50
Strahlungsintensität [W/m2]

Temperatur [°C]
32
31
30
29
28
27
26
25
24
23
REGELUNGSSTRATEGIEN 66
Boden 0-24, Sohlplatte 15°C - Kühlfall (2. Juliwoche)
22
0
9.7 10.7 11.7 12.7 13.7 14.7 15.7 16.7
Tag im Jahr
operative Temperatur Oberflächentemp. Boden Oberflächentemp. Decke Raumlufttemperatur Kühlleistung
Bild 48: Boden 0-24 (Sohlplatte), div. Systemtemperaturen und Kühlleistung, 2. Juliwoche.
Temperatur [°C]
29,0
28,0
27,0
26,0
25,0
24,0
23,0
22,0
21,0
20,0
Boden 0-24, Sohlplatte 15°C - Kühlfall (2. Juliwoche)
19,0
0
9.7 10.7 11.7 12.7 13.7 14.7 15.7 16.7
Tag im Jahr
Vorlauftemperatur Rücklauftemperatur Wassermassenstrom
Bild 49: Boden 0-24 (Sohlplatte); Vorlauf, Rücklauf, Wassermassenstrom; 2. Juliwoche.
In Bild 48 und 49 ist das Systemverhalten der ersten Kühlvariante (Fußbodensystem,
24-stündige Betriebsbereitschaft, Kühlung über die Sohlplatte mit
konstant 15°C in 1m Erdreichtiefe) aufgezeichnet. Bei dieser Variante wird fast
ständig der maximale Massenstrom von 8 kg/(m 2 h) angefordert (Bild 49,
Schwarz). Die maximale Kühlleistung (Bild 48, Rot) bei maximalem Wassermassenstrom
beträgt 400 W und tritt am heißen Wochenende auf. Auch Vor-
und Rücklauftemperaturen (Bild 49, Blau und Rot) steigen durch die Erwärmung
entsprechend an.
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
8
7
6
5
4
3
2
1
Kühlleistung [W]
Wassermassenstrom [kg/(m 2 h)]

REGELUNGSSTRATEGIEN 67
An den Arbeitstagen sinkt die Raumlufttemperatur (Bild 48, Orange) bei Beginn
der Nutzungszeit sofort deutlich ab. Dies ist durch den erhöhten Außenluftwechsel
von 5 h -1 bedingt, der sich bei Innentemperaturen über 24°C während
der Nutzungszeit einstellt (siehe Kapitel 4.2). Dies schlägt sich entsprechend
auch in der operativen Temperatur nieder. Der Einfluss der erhöhten Lüftung ist
also zunächst größer als der Wärmezuwachs durch interne Lasten, die ebenfalls
ab Beginn der Nutzungszeit wirksam werden. Abhängig von Strahlung und
Außenlufttemperatur steigen die Temperaturen im Raum im Tagesverlauf dann
wieder an; an den etwas kühleren Tagen der Wochenmitte verhältnismäßig
langsam, am warmen, strahlungsreichen Freitag relativ schnell. Am Wochenende
werden im Raum Temperaturen von fast 30°C erreicht. Dabei ist zu
bedenken, dass außerhalb der Nutzung weder der Sonnenschutz aktiv ist, noch
ein erhöhter Luftwechsel angesetzt wird.
Bild 50 und 51 zeigen das Systemverhalten für das Fußbodensystem bei 24stündiger
Betriebsbereitschaft, und Beschickung mit konstant 20-grädigem
Wasser, das von einer Anlage zur Verfügung gestellt wird. Das Temperaturniveau
sinkt insgesamt deutlich. Der maximale Massenstrom wird in der
Wochenmitte jetzt nur noch zu den frühen Abendstunden angefordert, nachdem
sich der Raum im Tagesverlauf auf etwa 25°C erwärmt hat. Die maximale
Kühlleistung tritt auch hier am heißen Wochenende auf und ist mit etwa 750 W
fast doppelt so groß wie im zuvor betrachteten Fall.
Die Raumtemperaturen steigen bei der Anlagenkühlung ab Beginn der
Nutzungszeit, bedingt durch die internen Lasten, an. Eine erhöhte Lüftung
kommt hier - im Gegensatz zum vorher betrachteten Fall - zu diesem Zeitpunkt
noch nicht zum Einsatz, da die Raumlufttemperaturen noch unter 24°C liegen.
Die maximale Raumlufttemperatur tritt auch bei dieser Variante am Sonntag
(15.7) auf, liegt allerdings mit ca. 27,5°C fast 2,5 K unter der zuvor betrachteten
Sohlplatten-Variante.
Die maximale Spreizung beträgt etwa 3,5 K und tritt während der Woche um die
Tagesmitte herum auf. Im zuvor betrachteten Fall (Sohlplattenkühlung) beträgt
die maximale Spreizung etwa 1,5 K, tritt jedoch am heißen Wochenende auf.

Temperatur [°C]
32
31
30
29
28
27
26
25
24
23
REGELUNGSSTRATEGIEN 68
Boden 0-24, Anlage - Kühlfall (2. Juliwoche)
22
0
9.7 10.7 11.7 12.7 13.7 14.7 15.7 16.7
Tag im Jahr
operative Temperatur Oberflächentemp. Boden Oberflächentemp. Decke Raumlufttemperatur Kühlleistung
Bild 50: Boden 0-24 (Anlage), div. Systemtemperaturen und Kühlleistung, 2. Juliwoche.
Temperatur [°C]
29,0
28,0
27,0
26,0
25,0
24,0
23,0
22,0
21,0
20,0
Boden 0-24, Anlage - Kühlfall (2. Juliwoche)
19,0
0
9.7 10.7 11.7 12.7 13.7 14.7 15.7 16.7
Tag im Jahr
Vorlauftemperatur Rücklauftemperatur Wassermassenstrom
Bild 51: Boden 0-24 (Anlage.); Vorlauf, Rücklauf, Wassermassenstrom; 2. Juliwoche.
In den beiden folgenden Diagrammen sind Ergebnisse aus Berechnungen mit
dem Deckensystem (einmal Kühlung mit Sohlplatte (Bild 52) und einmal
Kühlung mit Anlage (Bild 53)) dargestellt. Die Deckenoberfläche ist wie erwartet
in beiden Fällen immer kälter als die Oberfläche des Fußbodens. Dies ist der
markanteste Unterschied zu den beiden zuvor betrachteten Fußbodensystem-
Varianten. Ansonsten sind die Kurvenverläufe sowohl qualitativ als auch quantitativ
sehr ähnlich (Vgl. Bild 52 mit Bild 48 und Bild 53 mit Bild 49): Das Raumtemperaturniveau
ist insgesamt bei den Deckenvarianten geringfügig niedriger
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
8
7
6
5
4
3
2
1
Kühlleistung [W]
Wassermassenstrom [kg/(m 2 h)]

REGELUNGSSTRATEGIEN 69
(max. etwa 0,5 K), im Falle der Kühlung über die Sohlplatte sogar bei etwas
geringerer Leistungsabgabe (vgl. z.B. die Maximalwerte am 15.7). Hier kommt
die günstigere Temperaturschichtung bei Kühlung mit der Decke zum tragen.
Temperatur [°C]
32
31
30
29
28
27
26
25
24
23
Decke 0-24, Sohlplatte 15°C - Kühlfall (2. Juliwoche)
22
0
9.7 10.7 11.7 12.7 13.7 14.7 15.7 16.7
Tag im Jahr
operative Temperatur Oberflächentemp. Boden Oberflächentemp. Decke Raumlufttemperatur Kühlleistung
Bild 52: Decke 0-24 (Sohlplatte), div. Systemtemperaturen und Kühlleistung, 2. Juliwoche.
Temperatur [°C]
32
31
30
29
28
27
26
25
24
23
Decke 0-24, Anlage - Kühlfall (2. Juliwoche)
22
0
9.7 10.7 11.7 12.7 13.7 14.7 15.7 16.7
Tag im Jahr
operative Temperatur Oberflächentemp. Boden Oberflächentemp. Decke Raumlufttemperatur Kühlleistung
Bild 53: Decke 0-24 (Anlage), div. Systemtemperaturen und Kühlleistung, 2. Juliwoche.
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
Kühlleistung [W]
Kühlleistung [W]

REGELUNGSSTRATEGIEN 70
Ist das Fußbodensystem nur von 23-7 Uhr betriebsbereit, ergeben sich bei
Kühlung über die Sohlplatte (konstant 15°C in 1m Erdreichtiefe) folgende
Verläufe für die wichtigsten Systemvariablen in der 2. Juliwoche (Bild 54 und
55).
Temperatur [°C]
32
31
30
29
28
27
26
25
24
23
Boden 23-7, Sohlplatte 15°C - Kühlfall (2. Juliwoche)
22
0
9.7 10.7 11.7 12.7 13.7 14.7 15.7 16.7
Tag im Jahr
operative Temperatur Oberflächentemp. Boden Oberflächentemp. Decke Raumlufttemperatur Kühlleistung
Bild 54: Boden 23-7 (Sohlplatte), div. Systemtemperaturen und Kühlleistung, 2. Juliwoche.
Temperatur [°C]
29,0
28,0
27,0
26,0
25,0
24,0
23,0
22,0
21,0
20,0
Boden 23-7, Sohlplatte 15°C - Kühlfall (2. Juliwoche)
19,0
0
9.7 10.7 11.7 12.7 13.7 14.7 15.7 16.7
Tag im Jahr
Vorlauftemperatur Rücklauftemperatur Wassermassenstrom
Bild 55: Boden 23-7 (Sohlplatte); Vorlauf, Rücklauf, Wassermassenstrom; 2. Juliwoche.
Während der Betriebszeit (23-7 Uhr) wird jetzt immer der maximale Massenstrom
angefordert. Zu Beginn der Betriebszeit ist dies mit ausgeprägten
Kühlleistungsspitzen verbunden. Proportional zur Rücklauftemperatur sinkt die
Leistung im Laufe der Betriebszeit ab. Die maximale Kühlleistung beträgt in
dieser Woche etwa 1300 W und ist damit etwa 3 mal so groß wie die maximale
Leistung im Falle 24-stündiger Betriebsbereitschaftszeit (vgl. Bild 48).
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
8
7
6
5
4
3
2
1
Kühlleistung [W]

REGELUNGSSTRATEGIEN 71
Wird das Fußbodensystem bei nur 8-stündiger Betriebsbereitschaft (23-7 Uhr)
über eine Anlage mit einer konstanten Vorlauftemperatur von 20°C gekühlt (Bild
56 und 57), beträgt die maximale Kühlleistung 1800 W (bei maximalem Wassermassenstrom).
Im Gegensatz zu den Anlagen-Varianten mit 24-stündiger
Betriebsbereitschaftszeit (Bild 50 bzw. 53) macht sich hier die erhöhte Lüftung
zu Beginn der Nutzungszeit an den ersten drei Wochentagen durch einen
schlagartigen Abfall der Raumlufttemperatur bemerkbar. Das Temperaturniveau
ist insgesamt etwas höher als bei den 24-Stunden-Varianten.
Temperatur [°C]
32
31
30
29
28
27
26
25
24
23
Boden 23-7, Anlage - Kühlfall (2. Juliwoche)
22
0
9.7 10.7 11.7 12.7 13.7 14.7 15.7 16.7
Tag im Jahr
operative Temperatur Oberflächentemp. Boden Oberflächentemp. Decke Raumlufttemperatur Kühlleistung
Bild 56: Boden 23-7 (Anlage), div. Systemtemperaturen und Kühlleistung, 2. Juliwoche.
Temperatur [°C]
29,0
28,0
27,0
26,0
25,0
24,0
23,0
22,0
21,0
20,0
Boden 23-7, Anlage - Kühlfall (2. Juliwoche)
19,0
0
9.7 10.7 11.7 12.7 13.7 14.7 15.7 16.7
Tag im Jahr
Vorlauftemperatur Rücklauftemperatur Wassermassenstrom
Bild 57: Boden 23-7 (Anlage); Vorlauf, Rücklauf, Wassermassenstrom; 2. Juliwoche.
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
8
7
6
5
4
3
2
1
Kühlleistung [W]
Wassermassenstrom [kg/(m 2 h)]

REGELUNGSSTRATEGIEN 72
Die Verläufe für die beiden Decken-Varianten mit nur 8-stündiger Systembereitschaft
(Bild 58 und 59) sind den entsprechenden Fußbodenvarianten qualitativ
wieder sehr ähnlich (vgl. Bild 54 bzw. 56). Allerdings sind die Oberflächentemperaturen
des Bodens bei den beiden Fußbodensystemen größeren
Schwankungen unterworfen, da sich der Boden in diesen Fällen während der
System-Aus-Zeit deutlich stärker erwärmt. Demzufolge sind die Kühlleistungsspitzen
bei den Deckensystemen etwas schwächer ausgeprägt.
Temperatur [°C]
32
31
30
29
28
27
26
25
24
23
Decke 23-7, Sohlplatte 15°C - Kühlfall (2. Juliwoche)
22
0
9.7 10.7 11.7 12.7 13.7 14.7 15.7 16.7
Tag im Jahr
operative Temperatur Oberflächentemp. Boden Oberflächentemp. Decke Raumlufttemperatur Kühlleistung
Bild 58: Decke 23-7 (Sohlplatte), div. Systemtemperaturen und Kühlleistung, 2. Juliwoche.
Temperatur [°C]
32
31
30
29
28
27
26
25
24
23
Decke 23-7, Anlage - Kühlfall (2. Juliwoche)
22
0
9.7 10.7 11.7 12.7 13.7 14.7 15.7 16.7
Tag im Jahr
operative Temperatur Oberflächentemp. Boden Oberflächentemp. Decke Raumlufttemperatur Kühlleistung
Bild 59: Decke 23-7 (Anlage), div. Systemtemperaturen und Kühlleistung, 2. Juliwoche.
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
Kühlleistung [W]
Kühlleistung [W]

REGELUNGSSTRATEGIEN 73
Die maximale Kühlleistung bei Kühlung über die Sohlplatte beträgt für das
Deckensystem 1000 W statt etwa 1300 W für das Fußbodensystem (vgl. Bild 58
und 54). Bei Anlagenbetrieb ist dieses Verhältnis 1400 W / 1800 W (vgl. Bild 59
und 59).
Um zu untersuchen, wie stark sich eine Veränderung der Erdreichtemperatur
auswirkt, wird eine Vergleichsrechnung mit konstant 10°C statt bisher 15°C Erdreichtemperatur
1 m unter der Sohlplatte für das Deckensystem (24 Stunden
betriebsbereit) durchgeführt (Bild 60). Zu vergleichen sind diese Ergebnisse
also mit denen in Bild 52. Im 10°C-Fall liegt das Temperaturniveau aufgrund der
etwas geringeren Vorlauftemperaturen etwa 0,5 K tiefer.
Temperatur [°C]
32
31
30
29
28
27
26
25
24
23
Decke 0-24, Sohlplatte 10°C - Kühlfall (2. Juliwoche)
22
0
9.7 10.7 11.7 12.7 13.7 14.7 15.7 16.7
Tag im Jahr
operative Temperatur Oberflächentemp. Boden Oberflächentemp. Decke Raumlufttemperatur Kühlleistung
Bild 60: Decke 0-24 (Sohlplatte – 10°C Erdreichtemperatur), div. Systemtemperaturen und
Kühlleistung, 2. Juliwoche.
Die Temperaturverläufe für den Referenzfall ohne Kühlung (Bild 61) zeigen,
dass jede der betrachteten Kühlvarianten die thermischen Verhältnisse im
Büroraum deutlich verbessert. Im Referenzfall liegt beispielsweise die operative
Temperatur während der Nutzungszeit zumeist über 26°C, bei den Kühlvarianten
wird diese Temperatur fast immer unterschritten.
1800
1600
1400
1200
1000
800
600
400
200
Kühlleistung [W]

Temperatur [°C]
33
32
31
30
29
28
27
26
25
24
23
REGELUNGSSTRATEGIEN 74
ohne Kühlung (2. Juliwoche)
22
9.7 10.7 11.7 12.7 13.7 14.7 15.7 16.7
Tag im Jahr
operative Temperatur Oberflächentemp. Boden Oberflächentemp. Decke Raumlufttemperatur
Bild 61: ohne Kühlung, div. Systemtemperaturen 2. Juliwoche.
Die Überschreitungshäufigkeit operativer Temperaturen im gesamten Monat
Juli zeigt Bild 62. Der Referenzfall hebt sich deutlich von allen Fällen mit
Kühlung ab. Eine operative Temperatur von 26°C wird in diesem Fall an ≈600
von 744 Stunden überschritten, bei den anderen Varianten bewegt sich diese
Überschreitungshäufigkeit zwischen ≈50 und ≈300 Stunden.
Überschreitungshäufigkeit [h]
700
600
500
400
300
200
100
Kühlfall (Juli)
0
22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33
operative Temperatur [°C]
ohne Kühlung
Boden 23-7 (Sohlplatte)
Decke 23-7 (Sohlplatte)
Boden 0-24 (Sohlplatte)
Decke 0-24 (Sohlplatte)
Boden 23-7 (Anlage)
Decke 23-7 (Anlage)
Decke 0-24 (Sohlplatte, 10°C)
Decke 0-24 (Anlage)
Boden 0-24 (Anlage)
Bild 62: Überschreitungshäufigkeit operativer Temperaturen während und außerhalb der
Nutzungszeit im Juli für alle untersuchten Varianten.

REGELUNGSSTRATEGIEN 75
Bei Kühlung über die Sohlplatte kann die maximale operative Temperatur im
Vergleich zur ungekühlten Variante um bis zu 3 K herabgesetzt werden (bei
15°C Erdreichtemperatur). Dies ist Bild 63 zu entnehmen.
Maximalwert operative Temperatur [°C]
33
32
31
30
29
28
27
26
25
29,6
Boden 0-24
(Sohlplatte)
27,1
Boden 0-24
(Anlage)
Maximalwert operative Temperatur (Kühlfall)
29,5
Decke 0-24
(Sohlplatte)
27,0
Decke 0-24
(Anlage)
30,3
Boden 23-7
(Sohlplatte)
Bild 63: Maximale operative Temperaturen im Juli.
29,2
Boden 23-7
(Anlage)
30,1
Decke 23-7
(Sohlplatte)
28,7
Decke 23-7
(Anlage)
32,3
ohne Kühlung
28,5
Decke 0-24
(Sohlplatte,
10°C)
Wird die Überschreitungshöhe einer operativen Temperatur von 26°C mit in die
Betrachtung einbezogen (Gh26), wird die Verbesserung der thermischen
Situation durch alle Kühlvarianten noch deutlicher (Bild 64).
Übertemperaturgradstundenzahl [Kh]
1200
1100
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
206
Boden 0-24
(Sohlplatte)
33
Boden 0-24
(Anlage)
Übertemperaturgradstundenzahl Gh 26 - Juli
210
Decke 0-24
(Sohlplatte)
15
Decke 0-24
(Anlage)
371
Boden 23-7
(Sohlplatte)
177
Boden 23-7
(Anlage)
326
Decke 23-7
(Sohlplatte)
124
Decke 23-7
(Anlage)
1141
ohne Kühlung
82
Decke 0-24
(Sohlplatte,
10°C)
Bild 64: Übertemperaturgradstundenzahl während und außerhalb der Nutzungszeit im Juli.

REGELUNGSSTRATEGIEN 76
Bild 65 zeigt die Übertemperaturgradstundenzahl für den praxisrelevanten
Zeitraum der Nutzung.
Übertemperaturgradstundenzahl [Kh]
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
22
Boden 0-24
(Sohlplatte)
Übertemperaturgradstundenzahl Gh 26 - Nutzungszeit im Juli
7
Boden 0-24
(Anlage)
21
Decke 0-24
(Sohlplatte)
3
Decke 0-24
(Anlage)
Bild 65: Übertemperaturgradstunden während der Nutzungszeit im Juli.
31
Boden 23-7
(Sohlplatte)
16
Boden 23-7
(Anlage)
29
Decke 23-7
(Sohlplatte)
13
Decke 23-7
(Anlage)
102
ohne Kühlung
11
Decke 0-24
(Sohlplatte,
10°C)
Das Überschreitungshäufigkeitsdiagramm bezüglich der PPD-Werte während
der Nutzungszeit (Bild 66) zeigt den deutlichen positiven Einfluss aller betrachteten
Kühlstrategien auf die Behaglichkeit im Büroraum. So sind etwa 10% der
Nutzer die Hälfte der Arbeitszeit (≈100 Stunden) über unzufrieden, wenn der
Raum ungekühlt ist. Wird der Raum gekühlt, so ist derselbe Anteil der Nutzer
nur zwischen 10 und 40 Stunden lang unzufrieden (abhängig von der jeweiligen
Kühlstrategie).
Überschreitungshäufigkeit (Arbeitszeit) [h]
180
160
140
120
100
80
60
40
20
Kühlfall (Juli)
0
5 10 15 20 25 30 35 40
PPD [%]
ohne Kühlung
Boden 23-7 (Sohlplatte)
Decke 23-7 (Sohlplatte)
Boden 0-24 (Sohlplatte)
Decke 0-24 (Sohlplatte)
Boden 23-7 (Anlage)
Decke 23-7 (Anlage)
Decke 0-24 (Sohlplatte, 10°C)
Decke 0-24 (Anlage)
Boden 0-24 (Anlage)
Bild 66: Überschreitungshäufigkeit von PPD-Werten während der Nutzungszeit im Juli.

REGELUNGSSTRATEGIEN 77
Bild 67 zeigt die über den Juli gemittelten PPD-Werte.
mittlerer PPD [%]
17
15
13
11
9
7
5
7,65
Boden 0-24
(Sohlplatte)
6,07
Boden 0-24
(Anlage)
7,68
Decke 0-24
(Sohlplatte)
mittlerer PPD - Nutzungszeit im Juli
6,25
Decke 0-24
(Anlage)
8,63
Boden 23-7
(Sohlplatte)
Bild 67: mittlere PPD für die Nutzungszeit im Juli.
6,96
Boden 23-7
(Anlage)
8,47
Decke 23-7
(Sohlplatte)
6,73
Decke 23-7
(Anlage)
14,55
ohne Kühlung
6,67
Decke 0-24
(Sohlplatte,
10°C)
Der Verlauf des PPD über die Nutzungszeit des 11. Juli ist in Bild 68 für die
untersuchten Deckenvarianten und den Referenzfall aufgezeichnet. In den
frühen Morgenstunden dieses Tages herrschen relativ niedrige Außenlufttemperaturen
(sieh Bild 47). Dies erklärt den auffälligen PPD-Verlauf bei der
leistungsstärksten Variante (Pink) zu Beginn der Nutzungszeit: Das zugehörige
PMV fällt hier leicht in den negativen Bereich; es ist ein wenig zu kühl.
PPD [%]
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
Decke 0-24 (Sohlplatte)
Decke 0-24 (Anlage)
Decke 23-7 (Sohlplatte)
Decke 23-7 (Anlage)
ohne Kühlung
PPD - Nutzungszeit 11. Juli
5
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Bild 68: PPD-Verlauf Nutzungszeit 11. Juli.
Stunden

REGELUNGSSTRATEGIEN 78
Bei dem 13. Juli handelt es sich um einen deutlich wärmeren Tag. Ab etwa 10
Uhr steigt der PPD-Wert kontinuierlich an (Bild 69), bei den „schwächeren“
Varianten steiler. Ein Absinken der PPD-Werte ab dem Nachmittag, wie an dem
kühleren Tag, kann hier nicht beobachtet werden. Um die qualitativen Unterschiede
zwischen den dargestellten Varianten hervorzuheben, sind die beiden
Diagramme unterschiedlich skaliert. Dies ist beim Vergleich zu beachten.
PPD [%]
40
35
30
25
20
15
10
Decke 0-24 (Sohlplatte)
Decke 0-24 (Anlage)
Decke 23-7 (Sohlplatte)
Decke 23-7 (Anlage)
ohne Kühlung
PPD - Nutzungszeit 13. Juli
5
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24
Bild 69: PPD-Verlauf Nutzungszeit 13. Juli.
Stunden
Die maximalen Beträge der Temperaturdifferenzen zwischen Decken- und
Bodenoberfläche treten erwartungsgemäß bei den anlagenbetriebenen
Systemen auf; aber auch hier liegen die Werte im unkritischen Bereich.
max(abs(θsDecke - θsBoden)) [K]
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
1,1
Boden 0-24
(Sohlplatte)
Maximale Oberflächentemperaturdifferenz Decke - Boden (Kühlfall)
2,0
Boden 0-24
(Anlage)
1,5
Decke 0-24
(Sohlplatte)
2,1
Decke 0-24
(Anlage)
Bild 70: Maximale Oberflächentemperaturdifferenz Boden – Decke, Juli.
1,6
Boden 23-7
(Sohlplatte)
2,7
Boden 23-7
(Anlage)
1,2
Decke 23-7
(Sohlplatte)
1,5
Decke 23-7
(Anlage)
1,0
ohne Kühlung
1,6
Decke 0-24
(Sohlplatte,
10°C)

REGELUNGSSTRATEGIEN 79
Die im gesamten Monat Juli genutzte Kühlenergie wird abschließend in Bild 71
für die 10 Varianten einander gegenübergestellt. Der Energieverbrauch der
anlagenbetriebenen Systeme übertrifft die übrigen Varianten deutlich. Bei
Vergleich der beiden Deckensysteme mit 24-stündiger Betriebsbereitschaft
beträgt dieser Unterschied beispielsweise 70% (auf den kleineren Wert bezogen).
Die Sohlplatten-Varianten mit nur 8-stündiger Betriebsbereitschaftszeit
„verbrauchen“ gut 11% weniger der im Erdreich begrenzt zur Verfügung
stehenden „Kühlenergie“ als die 24-Stunden-Varianten.
Kühlenergie [kWh]
250
200
150
100
50
0
131
Boden 0-24
(Sohlplatte)
218
Boden 0-24
(Anlage)
132
Decke 0-24
(Sohlplatte)
Bild 71: Kühlenergie Monat Juli.
226
Decke 0-24
(Anlage)
Kühlenergie - Juli
116
Boden 23-7
(Sohlplatte)
178
Boden 23-7
(Anlage)
117
Decke 23-7
(Sohlplatte)
186
Decke 23-7
(Anlage)
0
ohne Kühlung
172
Decke 0-24
(Sohlplatte,
10°C)

6 Zusammenfassung
ZUSAMMENFASSUNG 80
Thermisch aktivierte Bauteile sind ressourcenschonende Systeme zur Heizung
und Kühlung eines Gebäudes. Wasser durchströmt massive Bauteile und
nimmt je nach Temperatur Wärmeenergie auf (Kühlen) oder gibt sie an das
Bauteil ab (Heizen). Die Temperaturdifferenzen zwischen Bauteiloberfläche und
Raumluft sind relativ gering, um möglichst behagliche Raumkonditionen sicherzustellen.
Dadurch ist selbst bei großen Austauschflächen die Heiz-
/Kühlleistung dieser Systeme begrenzt. Für den Einsatz thermisch aktivierter
Bauteile ist daher ein hoher Wärmedämmstandard des Gebäudes
Voraussetzung. In dieser Arbeit werden Variantenuntersuchungen zur Herleitung
geeigneter Regelungsstrategien für diese verhältnismäßig trägen Systeme
durchgeführt.
Für diese rechnerischen Untersuchungen wird exemplarisch ein Büroraum
eines bestehenden Gebäudes herangezogen. Das ZUB-Gebäude (Zentrum für
umweltbewusstes Bauen) verfügt über eine sehr umfangreiche Gebäude- und
messtechnische Ausstattung. Zu nennen ist das raumweise regelbare Bauteilheiz-/Kühlsystem
in der Decke sowie im Fußboden eines jeden Büroraums.
Decken- und Fußbodensystem können gemeinsam oder unabhängig voneinander
betrieben werden. Im sommerlichen Betrieb kommt eine Sohlplattenkühlung
zum Einsatz. Das zirkulierende Wasser erwärmt sich in der Decke/ dem Fußboden
des Büroraums und strömt anschließend durch die mit dem Erdreich
verbundene Sohlplatte.
Als Werkzeug für die Berechnungen wird das dynamische Simulationsprogramm
IDA SE herangezogen. Die Applikation ICE (Indoor Climate and
Energie) stellt spezielle Module zur thermischen Gebäudesimulation zur
Verfügung.
Die parallel zur Außenfassade (Süd) gelegene Wand des betrachteten Büroraums
grenzt an ein unbeheiztes Atrium (Flur). Um den thermischen Einfluss
auf das Büro möglichst realistisch zu berücksichtigen, wird der Flur in seiner
Gesamtheit mitmodelliert. Zur zweckmäßigen Umsetzung der Anbindung Büro-
Flur wird ein eigenes ICE-Modul entwickelt und eingebunden. Am Beispiel
Heizen mit dem Deckensystem wird der Einfluss des Flures unter Ansatz
stationärer Randbedingungen untersucht. Der Heizwärmebedarf zur Aufrechterhaltung
einer Raumlufttemperatur von 20°C (bei θe = 0°C, ohne Gewinne)
liegt bei Berücksichtigung des Flurs etwa 13% höher, als würde die Trennwand
Büro-Flur mit adiabaten Randbedingungen modelliert.
Bei den Variantenuntersuchungen soll die Regelung der Raumlufttemperatur
über den Heiz-/Kühlmittelmassenstrom erfolgen. Da das in IDA standardmäßig

ZUSAMMENFASSUNG 81
vorhandene Fußbodenheizungsmodul jedoch eine Regelung über die Vorlauftemperatur
vorsieht, wird ein massenstromgeregeltes System aus anderen
Modulen „zusammengebaut“.
Zur Überprüfung der Plausibilität von Berechnungen mit dem neuen Modul
werden für das Deckensystem Simulationen unter Auslegungsbedingungen
durchgeführt. Dabei werden Heizmittelmassenstrom und Vorlauftemperatur
variiert. Entsprechende Rechenergebnisse aus Simulationen mit der Software
HAUSer stehen zum Vergleich zur Verfügung. Die Vergleichsrechnungen
belegen, dass die mittlere Abweichung der Raumtemperatur von 1,3 K nicht in
erster Linie auf das Heizungs-Modul an sich zurückzuführen ist; vielmehr sind
die Gründe für diese Differenz in unterschiedlichen Berechnungsansätzen für
die Wärmeübergänge zu suchen.
Die Regelstrategieuntersuchungen erfolgen für den Heiz- und Kühlfall getrennt.
Für den Heizfall werden die Simulationsrechnungen nur über den Monat Januar
durchgeführt, für den Kühlfall nur über den Juli.
Für den Heizfall werden insgesamt sechs Varianten untersucht. Sie unterscheiden
sich hinsichtlich Betriebsweise (a) nur Fußbodensystem, b) nur Deckensystem
und c) beide Systeme im gleichzeitigen Betrieb mit halbem Massenstrom
für jedes Register) und Betriebsbereitschaftszeit der Systeme (a) immer,
b) täglich von 23 bis 7 Uhr). Die Betriebsbereitschaftszeit b) wird aus rechnerischen
Voruntersuchungen zum Aufheiz- bzw. Abkühlverhalten der drei Systemvarianten
abgeleitet. Das Deckensystem erweist sich als deutlich träger:
Innerhalb der ersten 8 Stunden nach plötzlicher Erhöhung der Vorlauftemperatur
steigt die operative Temperatur nur halb so stark an, wie bei den beiden
anderen Betriebsweisen. Eine außenlufttemperaturabhängige Heizkurve zur
Steuerung der Vorlauftemperatur wird aus den Ergebnissen diverserer
Rechenläufe mit dem Deckensystem unter stationären Randbedingungen
erstellt, und den Variantenuntersuchungen zugrunde gelegt.
Die wesentlichen Erkenntnisse aus dem Vergleich der Rechenergebnisse für
den Heizfall sind:
- Eine nur 8-stündige Betriebsbereitschaft führt bei allen drei Betriebsweisen
zu deutlich stärker ausgeprägten Leistungsspitzen als bei 24-
Stunden-Betrieb. Für das Fußbodensystem beträgt beispielsweise das
Verhältnis Maximalleistung bei 24-h-Betrieb / Maximalleistung bei 8-h-
Betrieb fast 1/3 (≈ 600 W / 1600 W).

ZUSAMMENFASSUNG 82
- Innerhalb der 24-h-Varianten schneidet das flinkere Fußbodensystem
aufgrund schnellerer Ansprechzeiten nach Lastwechseln etwas besser
ab.
- Bei nur 8-stündiger Betriebsbereitschaft kommt dem Deckensystem
seine größere Trägheit wiederum zugute: Es kühlt außerhalb der
Betriebsbereitschaftszeit weniger stark aus und hat bei Betriebsbeginn
dementsprechend weniger Leistung zu liefern. Die maximale Heizleistung
liegt bei 8-stündigem Betrieb mit dem Fußbodensystem etwa 30%
über der entsprechenden Deckenvariante.
- Die Betriebsweise „Decke und Fußboden gleichzeitig“ schneidet
aufgrund der größeren wärmeabgebenden Fläche durchweg gut ab.
- Die operative Temperatur sinkt bei keiner untersuchten Variante zu
irgendeinem Zeitpunkt unter 19,5°C. Die PPD-Werte während der
Nutzungszeit liegen bei den 24-Stunden-Varianten stets etwas unter
denen bei 8-stündiger Betriebsbereitschaftszeit. Die maximal auftretenden
PPD bewegen sich jedoch mit 8-11% für alle Varianten in einem
akzeptablen Bereich. Urteilt man nach diesem Bewertungskriterium, sind
alle Varianten durchaus praktikabel.
- Die Differenz der berechneten Heizenergieverbräuche für den gesamten
Monat Januar beträgt bei Vergleich aller Varianten maximal 8%.
Für den Kühlfall werden insgesamt zehn Varianten untersucht. Es wird unterschieden
zwischen den zwei Betriebsweisen a) nur Fußbodensystem und b) nur
Deckensystem. Außerdem wird wie beim Heizfall zwischen den Betriebsbereitschaftszeiten
a) 24-stündig und b) 8-stündig von 23-7 Uhr variiert. Für jede
Variante werden zwei verschiedene Kühlverfahren untersucht: Einmal wird
„natürlich“ über die Sohlplatte gekühlt (15°C Erdreichtemperatur), im anderen
Fall wird über eine Anlage gekühlt, die eine konstante Vorlauftemperatur von
20°C liefert. Als Referenz wird auch ein Fall ganz ohne Kühlung betrachtet.
Ein Ergebnisvergleich der Kühlfallvarianten zeigt:
- Wie auch für den Heizfall gilt: Eine nur 8-stündige Betriebsbereitschaft
führt bei allen Betriebsweisen zu deutlich stärker ausgeprägten Kühlleistungsspitzen
als bei 24-Stunden-Betrieb. Für das Fußbodensystem
(Kühlung über Sohlplatte) beträgt beispielsweise das Verhältnis Maximalleistung
bei 24-h-Betrieb / Maximalleistung bei 8-h-Betrieb fast 1/3 (≈
400 W / 1300 W).

ZUSAMMENFASSUNG 83
- Bei nur 8-stündiger Betriebsbereitschaft sind auch hier die Leistungsspitzen
bei Verwendung des Deckensystems weniger stark ausgeprägt.
- Bei Kühlung über die Sohlplatte kann die maximale operative Temperatur
im Vergleich zur ungekühlten Variante um bis zu 3 K herabgesetzt
werden. Dies schlägt sich in einer deutlichen Verringerung der Übertemperaturgradstundenzahl
nieder: (102 / 30 Kh während der Nutzungszeit
von 198 h).
- Die Sohlplatten-Varianten mit nur 8-stündiger Betriebsbereitschaftszeit
„verbrauchen“ gut 11% weniger der im Erdreich begrenzt zur Verfügung
stehenden „Kühlenergie“ als die 24-Stunden-Varianten.
Wäre das Kühlpotential des Erdreichs z.B. durch fließendes Grundwasser
nahezu unerschöpflich, spräche nichts gegen den 24-Stunden-Betrieb. Wie
lange es bei welcher Systembereitschaf tatsächlich dauert, bis diese Potential
erschöpft ist, können nur Messungen am Realobjekt zeigen.

7 Abbildungsverzeichnis
ABBILDUNGSVERZEICHNIS 84
Bild 1: Südansicht Gesamtgebäude [1]......................................................................................... 4
Bild 2: Grundriss Gesamtgebäude [1] Bild 3: Schnitt Gesamtgebäude [1]
....................................................................................................................................... 4
Bild 4: Aufbau Heiz-/ und Kühlsystem in der Decke bzw. dem Fußboden. .................................. 5
Bild 5: Aufbau Sohlplatte............................................................................................................... 6
Bild 6: konvektiver Wärmeübergangskoeffizient, wie er den IDA-Simulationen zugrunde liegt
nach [5] .......................................................................................................................... 8
Bild 7: approximierter Proportionalbereich (nach [6]).................................................................. 10
Bild 8: Modellierter Gebäudebereich; Bezeichnungen, Geometrie, Randbedingungen. ............ 12
Bild 9: Außenlufttemperaturen in °C im Monat Januar für TRY-Region 4 .................................. 17
Bild 10: Außenlufttemperaturen in °C im Monat Juli für TRY-Region 4...................................... 17
Bild 11: Strahlungsdaten Fensterinnenseite Büroraum, Januar ................................................. 21
Bild 12: Strahlungsdaten Fensterinnenseite Büroraum, Juli....................................................... 22
Bild 13: Test Fluranbindung 1 Bild 14: Test Fluranbindung 2................................................ 25
Bild 15:Ergebnis Test Fluranbindung 1 Bild 16: Ergebnis Test Fluranbindung 2................. 26
Bild 17: Oberflächentemperatur Flurwand in Abhängigkeit von der Vorlauftemperatur. ............ 27
Bild 18: Heizleistung in Abhängigkeit von der Raumlufttemperatur............................................ 28
Bild 19: Raumlufttemperatur in Abhängigkeit von der Vorlauftemperatur................................... 28
Bild 20: Zusammenhang Druckgefälle – Massenstrom. ............................................................. 32
Bild 21: Schematische Darstellung des Modells für die Sohlplattenkühlung aus IDA ICE. ........ 41
Bild 22: Lage und Bezeichnung der Rohrregister im Büroraum ................................................. 42
Bild 23: Außenlufttemperaturabhängige Heizkurve .................................................................... 46
Bild 24: Anstieg θop nach Heraufsetzen von θVL auf 25,75°C...................................................... 47
Bild 25: Anstieg θop nach Heraufsetzen von θVL auf 40°C........................................................... 48
Bild 26: Verlauf θop nach Abschalten der Systeme. .................................................................... 49
Bild 27: Wichtige Wetterdaten 2. Januarwoche. ......................................................................... 51
Bild 28: Boden 0-24, div. Systemtemperaturen und Heizleistung, 2. Januarwoche. .................. 52
Bild 29: Boden 0-24; Vorlauf, Rücklauf, Wassermassenstrom; 2. Januarwoche........................ 52
Bild 30: Decke 0-24, div. Systemtemperaturen und Heizleistung, 2. Januarwoche. .................. 53
Bild 31: Decke und Boden 0-24, div. Systemtemperaturen und Heizleistung, 2. Januarwoche. 54
Bild 32: Boden 23-7, div. Systemtemperaturen und Heizleistung, 2. Januarwoche. .................. 55
Bild 33: Boden 23-7; Vorlauf, Rücklauf, Wassermassenstrom; 2. Januarwoche........................ 55
Bild 34: Decke 23-7, div. Systemtemperaturen und Heizleistung, 2. Januarwoche. .................. 56
Bild 35: Decke und Boden 23-7, div. Systemtemperaturen und Heizleistung, 2. Januarwoche. 56
Bild 36: Überschreitungshäufigkeit operativer Temperaturen während und außerhalb der
Nutzungszeit im Januar. .............................................................................................. 57
Bild 37: Kleinste operative Temperatur im Januar...................................................................... 58
Bild 38: Überschreitungshäufigkeit von PPD-Werten während der Nutzungszeit im Januar. .... 58
Bild 39: mittlere PPD für die Nutzungszeit im Januar. ................................................................ 59

ABBILDUNGSVERZEICHNIS 85
Bild 40: PPD-Verlauf, Nutzungszeit 11. Januar. ......................................................................... 59
Bild 41: Maximale Oberflächentemperaturdifferenz Boden – Decke, Januar............................. 60
Bild 42: Heizenergie Monat Januar............................................................................................. 60
Bild 43 Aufbau Sohlplatte, Materialdaten.................................................................................... 62
Bild 44: Verlauf der θop nach Einschalten der Kühlsysteme mit θVL = 20°C................................ 63
Bild 45: Verlauf der θop nach Einschalten der Kühlsysteme mit θVL = 12°C................................ 64
Bild 46: Verlauf der θop nach Abschalten der Kühlsysteme. ....................................................... 64
Bild 47: Wichtige Wetterdaten, 2. Juliwoche............................................................................... 65
Bild 48: Boden 0-24 (Sohlplatte), div. Systemtemperaturen und Kühlleistung, 2. Juliwoche. .... 66
Bild 49: Boden 0-24 (Sohlplatte); Vorlauf, Rücklauf, Wassermassenstrom; 2. Juliwoche.......... 66
Bild 50: Boden 0-24 (Anlage), div. Systemtemperaturen und Kühlleistung, 2. Juliwoche.......... 68
Bild 51: Boden 0-24 (Anlage.); Vorlauf, Rücklauf, Wassermassenstrom; 2. Juliwoche. ............ 68
Bild 52: Decke 0-24 (Sohlplatte), div. Systemtemperaturen und Kühlleistung, 2. Juliwoche. .... 69
Bild 53: Decke 0-24 (Anlage), div. Systemtemperaturen und Kühlleistung, 2. Juliwoche. ......... 69
Bild 54: Boden 23-7 (Sohlplatte), div. Systemtemperaturen und Kühlleistung, 2. Juliwoche. .... 70
Bild 55: Boden 23-7 (Sohlplatte); Vorlauf, Rücklauf, Wassermassenstrom; 2. Juliwoche.......... 70
Bild 56: Boden 23-7 (Anlage), div. Systemtemperaturen und Kühlleistung, 2. Juliwoche.......... 71
Bild 57: Boden 23-7 (Anlage); Vorlauf, Rücklauf, Wassermassenstrom; 2. Juliwoche. ............. 71
Bild 58: Decke 23-7 (Sohlplatte), div. Systemtemperaturen und Kühlleistung, 2. Juliwoche. .... 72
Bild 59: Decke 23-7 (Anlage), div. Systemtemperaturen und Kühlleistung, 2. Juliwoche. ......... 72
Bild 60: Decke 0-24 (Sohlplatte – 10°C Erdreichtemperatur), div. Systemtemperaturen und
Kühlleistung, 2. Juliwoche. .......................................................................................... 73
Bild 61: ohne Kühlung, div. Systemtemperaturen 2. Juliwoche.................................................. 74
Bild 62: Überschreitungshäufigkeit operativer Temperaturen während und außerhalb der
Nutzungszeit im Juli für alle untersuchten Varianten................................................... 74
Bild 63: Maximale operative Temperaturen im Juli. .................................................................... 75
Bild 64: Übertemperaturgradstundenzahl während und außerhalb der Nutzungszeit im Juli..... 75
Bild 65: Übertemperaturgradstunden während der Nutzungszeit im Juli.................................... 76
Bild 66: Überschreitungshäufigkeit von PPD-Werten während der Nutzungszeit im Juli. .......... 76
Bild 67: mittlere PPD für die Nutzungszeit im Juli....................................................................... 77
Bild 68: PPD-Verlauf Nutzungszeit 11. Juli................................................................................. 77
Bild 69: PPD-Verlauf Nutzungszeit 13. Juli................................................................................. 78
Bild 70: Maximale Oberflächentemperaturdifferenz Boden – Decke, Juli................................... 78
Bild 71: Kühlenergie Monat Juli................................................................................................... 79

8 Tabellenverzeichnis
TABELLENVERZEICHNIS 86
Tabelle 1: Berechnungsparameter konvektiver Wärmeübergang ................................................ 8
Tabelle 2: Verwendete Bauteile mit Materialdaten ..................................................................... 14
Tabelle 3: Nutzungsrandbedingungen ........................................................................................ 23
Tabelle 4: Bauteilflächen, U-Werte für Vergleichsrechnungen. .................................................. 33
Tabelle 5: Ergebnisse Plausibilitätsprüfung und Vergleich mit HAUSer..................................... 37
Tabelle 6: PMV und PPD nach [20] ............................................................................................ 44
Tabelle 7: Zugrunde gelegter Energieumsatz und Isolationswert............................................... 44
Tabelle 8: Untersuchte Regelungsstrategien für den Heizfall..................................................... 50
Tabelle 9: Untersuchte Regelungsstrategien für den Kühlfall..................................................... 61

9 Literatur
LITERATUR 87
[1] Planunterlagen: Arbeitsgemeinschaft Jourdan & Müller o PAS,
Seddig Architekten, Kassel.
[2] ZUB – Zentrum für Umweltbewusstes Bauen. Portrait Nr. 12,
Begleitforschungsprojekt „SolarBau:MONITOR“, Bundesministerium
für Wirtschaft und Technologie (BMWi).
[3] Schlegel, K.: Zentrum für Umweltbewusstes Bauen, Kassel,
Dokumentation und Analyse eines innovativen Forschungs-
und Demonstrationsgebäudes. Diplomarbeit an der Universität GH
Kassel, Fachgebiet Technische Gebäudeausrüstung, Sommer 2001.
[4] Hausladen, G., de Saldanha, M., Sager, C.: Forschungsmaschine
ZUB der Uni-GH, Kassel. DBZ 8/01.
[5] Isfält, I., Bröms, G.: Effekt – och Energiesparing genom förenklad
Styrning och Drift av Installationssystem i Byggnader. Institut für
Installationstechnik, KTH, Stockholm 2001.
[6] Bring, A., Sahlin, P., Vuolle, M.: Models for Building Indoor and
Energy Simulation, Version 1.02. Dept. of Building Sciences, KTH,
Stockholm 1999.
[7] Hauser, G.: Vereinfachte Behandlung des Wärmeverhaltens
großer Gebäude durch thermische Systeme. Betonwerk und
Fertigteil-Technik 44 (1978), H. 5, S. 266-271.
[8] Thermische Simulationsrechnungen zu dem Neubau des
Zentrums für umweltgerechtes Bauen – ZUB. IBHauser, Kassel
2001.
[9] Recknagel, H., Sprenger, E., Schramek, E.-R. (Hrsg.):
Taschenbuch für Heizung und Klimatechnik. 70. Auflage,
Oldenbourg Industrieverlag, München 2001.
[10] Koschenz, M., Lehmann, B.: Thermoaktive Bauteilsysteme tabs.
Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt EMPA,
Dübendorf 2000.
[11] Burckhardt, W.: Projektierung von Warmwasserheizungen. 5.
überarbeitete und aktualisierte Auflage, R. Oldenbourg Verlag,
München 1997.

LITERATUR 88
[12] Bendel, T.: Untersuchung geeigneter Regelungsstrategien für
thermisch aktive Decken in Bürogebäuden mit Hilfe der
Computersimulation und dem Ziel der Nutzung von
Umweltenergie (korrigierte Fassung). Diplomarbeit an der FH Köln,
Laboratorium für Heiztechnik, März 1999
[13] Hauser, G., Kempkes, C.: Wasserdurchströmte Bauteile zur
Raumkonditionierung. In: Bauphysik, Berichte aus Forschung und
Praxis, Festschrift zum 60. Geburtstag von Karl Gertis. Fraunhofer
IRB Verlag, Stuttgart 1998.
[14] Koch, S.: Baupraktische Auswirkungen und Konsequenzen für
Planung und Fertigung von Hochbauten durch den Einsatz
thermisch aktiver Betondecken. Diplomarbeit an der Universität
GH Kassel, Fachgebiet Bauphysik, Sommer 2001.
[15] Glück, B.: Wärmeübertragung, Wärmeabgabe von
Raumheizflächen und Rohren. 2. Auflage, Verlag für Bauwesen
GmbH, Berlin 1990.
[16] Dibowski, G., Rittenhofer K.: Über die Problematik der
Bestimmung thermischer Erdreichparameter. HLH 51 (2000), H.
5, S. 32-41.
[17] Masuch, A.: Thermisch aktivierte Betondecken mit der
Sohlplatte als Wärmesenke, Rechnerische Simulation mit
TRNSYS. Diplomarbeit an der Universität GH Kassel, Fachgebiet
Bauphysik, Sommer 2000.
[18] European Glass Handbook 2000: Produktprogramm der Fa.
Pilkington.
[19] VDI-Richtlinie 6020, Blatt1: Anforderungen an Rechenverfahren
zur Gebäude- und Anlagensimulation, Gebäudesimulation.
Ausgabe Mai 2001, Beuth-Verlag, Berlin 2001.
[20] DIN EN ISO 7730: Ermittlung des PMV und PPD und
Beschreibung der Bedingungen für thermische Behaglichkeit.
September 1995.

Anhang

Beispielhafte Vorgehensweise bei Einbindung des
Moduls „flmass“ in IDA-ICE
1. Compiler installieren.
2. Ein Verzeichnis flmassdir einrichten und die Datei flmass.nmf einfügen.
3. Anweisungen gem. manual „A New IDA Application – basic steps“ bis
inkl. Punkt 1.3.5 befolgen; unter Punkt 1.3.1 das neue Projekt flmass
nennen.
4. Die neuen Dateien im Ordner flmassdir - flmassnmf.eo und
flmassnmf.dll - in das Verzeichnis IDA\ lib\ice kopieren.
5. Die Datei IDA\lib\ice\ice.app öffnen und (:INCLUDE ´´flmassnmf.eo``)
an das Ende der Datei schreiben.
6. Die Datei IDA\lib\ice\idadll.ini öffnen und
flmassnmf=\IDA\lib\ice\flmassnmf.dll an das Ende der Datei
schreiben.
7. Die Datei flmass.nmf in das Verzeichnis IDA\lib\ice\nmf kopieren (dann
ist der NMF-Code auch vom IDA-Modeller aus unter der outline-Ansicht
zu sehen).
Punkt 3. beinhaltet:
a) Doppelklick auf den NMF-file zum Öffnen des NMF-Translators
und den file dann wieder schließen
b) Options / IDA Options -> compiler auswählen
c) Projekt / New -> flmassdir auswählen
d) flmassnmf als Projektnamen eingeben und Save klicken
e) flmassnmf.typ schließen
f) Options / load options set -> debug oder release wählen
g) Translate / Current project
h) Project / Make DLL

Modul „wmult“ (Anbindung Büroraum – Flur) – NMF-Code
CONTINUOUS_MODEL wmult
ABSTRACT "modell copies temperature and multiplies heat flux from a
wall
"
EQUATIONS
/* new temperature and heat flux */
Tpb = Tpa ;
Qb = Qa*k ;
LINKS
/* type name variables */
TQ Term_a Tpa, POS_IN Qa ;
TQ Term_b Tpb, POS_OUT Qb ;
VARIABLES
/* type name role def min max description */
Temp Tpa IN 20 ABS_ZERO BIG "Surf temp on a side"
Temp Tpb OUT 20 ABS_ZERO BIG "Surf temp on b side"
HeatFlux Qa IN 0 -BIG BIG "Inflow at surf of side
a"
HeatFlux Qb OUT 0 -BIG BIG "Outflow at surf of
side b"
PARAMETERS
/* type name role def min max description */
Factor k S_P 2 1 BIG "ratio of bigger
wall area to smaller"
END_MODEL

Heizungs-Modul “flmass” – NMF-Code
CONTINUOUS_MODEL flmass
ABSTRACT
"old floor heating model with water massflow control
taken from water radiator model CeWatHet"
EQUATIONS
/* Calculate leaving water temp */
ExpLoc :=- hA / (M * cp_wat);
;
TOut = TSlab + (TIn - TSlab) * IF ExpLoc > -0.01 THEN
EXP(-0.01)
ELSE_IF ExpLoc < -20 THEN
EXP(-20)
ELSE
EXP(ExpLoc)
END_IF
/* Heat transfer to floor unit */
Q := M * cp_wat * (TOut - TIn) ;
/* Heat balance */
Q = QAbove + QBelow ;
/* water massflow*/
Dp := P1 - P2;
M = IF DpOk > 0.5 OR (Dp > dp0 AND Contr > -0.5) THEN
mmax*Contr + mmin*(1 - Contr)
ELSE_IF Contr > -0.5 THEN
mmin * Dp/dp0
ELSE
mmax * Dp/dp0
END_IF;
/* saturated modes */
DpOk := IF Event(G0, Dp - dp0) > 0 AND Contr > -0.5 THEN
1
ELSE
0
END_IF;
LINKS
/* type name variables */
TQ Above TSlab, POS_IN QAbove ;
TQ Below TSlab, POS_IN QBelow ;
PMT Inlet P1, POS_IN M, Tin;
PMT Outlet P2, POS_OUT M, TOut;
ControlLink Control Contr;
VARIABLES
/* type name role def min max description */
Temp TSlab IN 21 ABS_ZERO BIG "Temp of slab
surface"
Temp TIn IN 18 ABS_ZERO BIG "Inlet water
temp"

Temp TOut OUT 21 ABS_ZERO BIG "Outlet water
temp"
HeatFlux Q LOC 20 -BIG BIG "Flux to air from
slab"
HeatFlux QAbove IN 10 -BIG BIG "Flux from above"
HeatFlux QBelow OUT 10 -BIG BIG "Flux from below"
Massflow M OUT 0.001 0 BIG "Water massflow"
Pressure Dp LOC 600 0 BIG "Radiator and
valve total pressure drop"
Pressure P1 IN 600 0 BIG "pressure at water
inlet"
Pressure P2 IN 0 0 BIG "pressure at water
outlet"
Control Contr IN 0 -BIG 1 "Controller input
1 -> mmax, 0 -> mmin,
a negative value turns off
control action"
GENERIC G0 A_S 600 " "
GENERIC DpOk A_S 1 "Mode memory, = 0
for linear behavior,
= 1
for controlled"
GENERIC ExpLoc LOC -1 -BIG BIG "Value inside
function call EXP(),
introduced as a
safety card"
PARAMETERS
/* type name role def min max description */
Area A S_P 5 SMALL BIG "transfer area"
HeatCondA h S_P 10 SMALL BIG "specific
transfer coeff"
Pressure dp0 S_P 1 SMALL BIG "Pressure drop
under which waterflow is nolonger maintained"
MassFlow mmax S_P 0.01 SMALL BIG "Water massflow
at Contr = 1 and Dp > dp0"
MassFlow mmin S_P 1.E-4 SMALL BIG "Water massflow
at Contr = 0 and Dp > dp0"
/* derived parameters */
HeatCond hA C_P 50 SMALL BIG "total transfer
coeff"
PARAMETER_PROCESSING
hA := h * A;
END_MODEL

Pumpen-Modul „pu“ - NMF-Code
CONTINUOUS_MODEL pu
ABSTRACT "model simchil reduced to pump only
"
EQUATIONS
Pressurizes outgoing water to specified pressure.
/* outlet pressure head */
POut - PIn = pSetMax * PumpOn + pSetMin * (1 - PumpOn) ;
/* Inlet pressure is given as reference pressure for massflow
circuit.
This corresponds to the grounding of an electrical circuit,
or an expansion vessel for a fluid circuit */
LINKS
PIn = 0;
TOut1 = TIn1;
PMT Inlet1 PIn, POS_IN MIn1, TIn1;
PMT Outlet1 POut, POS_OUT MOut1, TOut1;
ControlLink PumpControl PumpOn; /* Pump control
signal */
VARIABLES
/* type name role def min max description
*/
Pressure POut OUT 600 0 BIG "Outlet
pressure"
Pressure PIn OUT 0 0 BIG "Inlet
pressure, fixed, as from expansion vessel"
MassFlow MOut1 IN 0.75 0 BIG "Outlet 1
massflow"
MassFlow MIn1 IN 0.75 0 BIG "Inlet 1
massflow"
Temp TIn1 IN 15 ABS_ZERO BIG "Inlet 1
temp of entering liquid"
Temp TOut1 OUT 5 ABS_ZERO BIG "Outlet 1
temp of leaving liquid"
Control PumpOn IN 1 0 BIG "Pump
control signal"
PARAMETERS

* type name role def min max description
*/
Pressure pSetMax S_P 3000 SMALL BIG "Outlet
pressure at full pump speed"
Pressure pSetMin S_P 1 SMALL BIG "Outlet
pressure at PumpOn = 0 (>0 for numerical reasons)"
END_MODEL