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 

Betondecken mit der Sohlplatte 

als Wärmesenke. 

Dynamische thermische 

Simulation des Gebäudes 

des Zentrums für Umweltbewusstes 

Bauen 

Verfasser 

Swen Klauß 

06.10.2001 

1

Thermisch aktivierte Betondecken 

mit der Sohlplatte als Wärmesenke 

Dynamisch thermische Simulation des Gebäudes 

des Zentrums für Umweltbewusstes Bauen 

1. Prüfer: Prof. Dr.-Ing. Gerd Hauser 

Betreuer: Dipl.-Ing. Dietrich Schmidt 

Diplomarbeit II 

vorgelegt von 

Swen Klauß 

2. Prüfer: Prof. Dipl.-Ing. Bernd Stolzenberg 

Universität 

Gesamthochschule 

Kassel 

Kassel im November 2001 

Fachbereich: 

Bauingenieurwesen 

Fachgebiet: 

Bauphysik

Inhaltsverzeichnis 


1 EINLEITUNG 1 

1.1 Normative Hintergründe (VDI 6020) 3 

1.2 Simulation und Modellierung 3 

2 DAS ZUB – BESCHREIBUNG DES SIMULATIONSOBJEKTES 5 

2.1 Ansatz 5 

2.2 Gebäude 5 

2.3 Haustechnik 6 

2.4 Messtechnik 7 

3 THERMOAKTIVE BAUTEILSYSTEME – BETONKERNAKTIVIERUNG 8 

4 PROGRAMMBESCHREIBUNG 15 

4.1 Rechenmodell 15 

4.2 Programmgestaltung 17 

4.3 Besonderheiten 22 

4.4 Besondere Details 23 

4.4.1 Geteilte Wände 24 

4.4.2 Eingefügte Objekte 25 

5 VORGEHENSWEISE BEI DER SIMULATION 26 

5.1 Vereinfachungen und Annahmen 26 

5.1.1 Geometrie und bauliche Ausführung 27 

5.1.2 Haustechnik 34 

5.1.3 Nutzungszeiten 35 

5.1.4 TAD und Bodenplatte 36 

5.1.5 Klimadaten 36 

5.2 Vorgehensweise bei der Simulation des ZUB 38 

6 ERGEBNISSE DER SIMULATION 43 

I


6.1 Plausibilitätsprüfung 43 

6.1.1 Lüftungsschema 43 

6.1.2 Bodenplattenkühlung 46 

6.1.3 Verschattung durch umgebende Objekte 48 

6.2 Ergebnisfindung im Zusammenhang mit der Verwendung einer Beta- 

Testversion 49 

6.3 Simulationsvarianten und zugehörige Ergebnisse 50 

6.3.1 Erläuterungen zu den Ergebnissen 51 

6.3.2 Beschreibung der Grundvariante 51 

6.3.3 Ergebnisse aus der Simulation der Grundvariante 52 

6.4 Variationen der Grundvariante 56 

6.4.1 Variante 1 - mit verringerter Dämmstärke und 2-Scheiben-Verglasung 56 

6.4.2 Vergleich der Ergebnisse aus der Simulation der Grundvariante und der 

Variante 1 57 

6.4.3 Variante 2 – Grundvariante mit einer Luftwechselrate von 0,8 h -1 60 


Variante 2 61 

6.4.5 Variante 3 – Grundvariante mit einer Luftwechselrate von 0,3 h -1 63 


Variante 3 64 

6.4.7 Variante 4 – Grundvariante mit umgekehrtem Lüftungsprinzip 65 


Variante 4 65 

6.5 Variantenvergleiche 66 

6.5.1 Heizenergieverbrauch 66 

6.5.2 Verluste 67 

6.5.3 Energieverbrauch für die Kühlung 69 

6.6 Zusammenfassung und Bewertung der Ergebnisse 72 

7 VERGLEICH MIT VORHANDENEN ERGEBNISSEN 74 

7.1 Gegenüberstellung der Simulationsergebnisse aus IDA ICE 

und HAUSer 75 

7.2 Gegenüberstellung der Ergebnisse aus IDA ICE und dem 

Wärmeschutznachweis nach WSVO 95 76 

7.3 Gegenüberstellung der drei Berechnungen 78 

8 RESÜMEE 80 

9 LITERATURVERZEICHNIS 84 

II


ANHANG 

Abbildungsverzeichnis 

Tabellenverzeichnis 

Ausgabetabellen aus IDA ICE für alle ausgewerteten Varianten 

III

1 Einleitung 

1 Einleitung 

Die Diskussionen um die Ratifizierung der Vereinbarungen von Kyoto im 

Rahmen der Welt-Klimakonferenz in Bonn haben deutlich gemacht, dass hin- 

sichtlich der globalen Reduzierung des CO2-Ausstoßes dringender Hand- 

lungsbedarf besteht. In erster Linie sind dabei die Industriestaaten, zu denen 

auch Deutschland gehört, in der Verantwortung. Noch immer wird zu mehr als 

50% die Verbrennung fossiler Brennstoffe für den Treibhauseffekt verantwortlich 

gemacht. Der Anteil von CO2 an den Treibhausgasen liegt in Deutschland 

bei mehr als 85% [12]. Die produzierte CO2-Menge wird zu großen Teilen 

durch die Beheizung und auch durch die Klimatisierung von Gebäuden er- 

zeugt. 

Ein weiterer Ansatzpunkt sind die im Laufe der Jahre gewachsenen Anforde- 

rungen an die Qualität der Gebäude, v.a. im Nichtwohnungsbau. Wichtigstes 

Kriterium bei der ganzheitlichen Betrachtung eines Gebäudes ist dabei die 

Umweltverträglichkeit des Gesamtkonzeptes. Gerade bei Verwaltungs-, For- 

schungs- und Produktionsbauten spielt auch das Wohlbefinden der Nutzer in 

den Räumen eine entscheidende Rolle bei der qualitativen Bewertung eines 

Bauobjekts. Das Nutzerverhalten wiederum beeinflusst in entscheidendem 

Maße die Energiebilanz und damit auch die Wirtschaftlichkeit des Gebäudes. 

Es erscheint daher für Neubauplanungen und auch für Sanierungskonzepte 

sinnvoll, ganzheitliche Ansätze hinsichtlich der Qualität der Immobilie zu ver- 

folgen. Während die Betriebskosten direkt die Wirtschaftlichkeit des Gebäudes 

beeinflussen, sind die Umweltbilanz sowie verbesserte Arbeitsbedingungen 

für die Nutzer und damit verbunden eine mögliche Leistungssteigerung ent- 

scheidende Kriterien, die über die Attraktivität eines Gebäudes entscheiden. 

Für alle Beteiligten, den Investor, die Planer und die potentielle Nutzer, stellt 

eine in den ersten Planungsstadien durchgeführte thermische Gebäudesimu- 

lation ein probates Mittel dar, verschiedene energetische Varianten auszuloten 

und die Investitionen im Vorfeld im Sinne aller Interessen zu optimieren. Durch 

einen integralen Planungsansatz können in einer sehr frühen Phase der Ge- 

bäudeentstehung die Weichen für ein umweltverträgliches und nutzerorientier- 

tes Konzept geschaffen werden. Dabei sind die Kosten für die Abwägung zwi- 

schen verschiedenen Alternativen an dieser Stelle des Planungsprozesses 

vergleichsweise gering, wobei die Effekte, im Hinblick auf die durchschnittliche 

Nutzungsdauer von etwa 40 Jahren, entscheidend sind. 

1

1 Einleitung 

Der wesentliche Ansatz bei der Durchführung einer dynamisch thermischen 

Gebäudesimulation ist es, verschiedene Ausführungsvarianten zu untersu- 

chen und die Ergebnisse zu vergleichen. Daraus kann eine günstige Lösung 

für das Gebäude abgeleitet werden. In der vorliegenden Arbeit sollen bauliche 

Variationen hinsichtlich der Auswirkungen auf den Gesamtenergiebedarf un- 

tersucht werden. Mit der verwendeten Software soll es möglich sein, entspre- 

chende Ergebnisse relativ unkompliziert zu ermitteln. Aus bereits durchgeführ- 

ten Simulationen mit anderen Programmen liegen Ergebnisse vor, die 

vergleichend betrachtet werden können, soweit die Randbedingungen dieses 

zulassen. Das Gebäude ist bereits realisiert, was die Möglichkeit bietet, den 

ausgeführten Zustand als Basis zu verwenden. 

Neben Niedrigenergiehaus- und Passivhausansätzen im Wohnungsbau und 

energetischen Sanierungskonzepten für den Bereich des Bestandes an 

Wohngebäuden haben sich Überlegungen zu energetischen Konzepten im 

Nichtwohnungsbau durchgesetzt. Die entsprechenden Ansätze beziehen da- 

bei verschiedene Bereiche, wie Verwaltungsgebäude und Produktionsstätten, 

aber auch öffentliche Gebäude wie Museen oder Veranstaltungsobjekte ein. 

In diesem Zusammenhang spielen im Gegensatz zum Wohnungsbau nicht nur 

Einsparungspotentiale während der Heizperiode eine Rolle. Von gleichrangi- 

ger Bedeutung kann das sommerliche Wärmeverhalten der Gebäude sein. 

Der Grund für diesbezügliche Überlegungen sind neben der meist großzügi- 

gen Verglasung der Gebäude und einem dementsprechend hohen Solarener- 

gieertrag die zum Teil enormen inneren Wärmegewinne. Diese resultieren aus 

den internen Lasten, die durch die Geräteausstattung erzeugt werden. Für die 

Bereitstellung angenehmer klimatischer Bedingungen im Gebäude ist es un- 

abdingbar, die internen Lasten abzuführen. 

Einige Länder, wie zum Beispiel die Schweiz oder auch Städte wie Hamburg, 

erschweren durch entsprechende Verordnungen die vollständige Klimatisie- 

rung im herkömmlichen Sinn in Gebäuden [4]. Um bei der Raumkonditionierung 

möglichst wenig Energie für Klimatechnik zu verwenden, kommen immer 

häufiger Konzepte zum Einsatz, bei denen die vorhandenen Speichermassen 

der Gebäudesubstanz genutzt werden. Eines dieser Konzepte ist zum Beispiel 

eine Bauteilaktivierung über thermoaktive Decken (TAD). Der Grundgedanke 

solcher Systeme stammt aus den dreißiger Jahren und wurde in den achtziger 

Jahren im Zuge verbesserter wärmedämmtechnischer Eigenschaften der Ge- 

bäudehülle weiterentwickelt [1]. 

Solche Systeme sind variabel für den Heiz- oder Kühlbetrieb einsetzbar. Um 

den Wärmeaustausch zwischen Decke und Raum nicht zu behindern, sollte 

2

1 Einleitung 

möglichst auf abgehangene Deckensysteme verzichtet werden. Das stellt 

auch entsprechende von Anfang an zu berücksichtigende Anforderungen an 

die Planung und Bauausführung. 

1.1 Normative Hintergründe (VDI 6020) 

Die folgenden Ausführungen sind inhaltlich den Vorbemerkungen aus [5] ent- 

nommen. Im Laufe der letzten zwei Jahrzehnte haben sich die Anforderungen 

an Planung und Ausführung von Anlagen der Gebäudetechnik verändert. 

Während in den 60er und 70er Jahren der Komfort im Vordergrund stand, was 

teilweise stark überdimensionierte Anlagen zur Folge hatte, spielen heute ver- 

stärkt energetische Betrachtungen eine Rolle. Mit dem häufigeren Einsatz verfeinerter 

Rechenverfahren hat sich ein Wandel weg von den statischen bzw. 

stark vereinfachten Verfahren eingestellt. Es soll damit auch aus Kostengrün- 

den erreicht werden, entgegen der früheren Überdimensionierung der Anla- 

gen, nur noch so viel technischen Aufwand wie nötig zu betreiben. 

Da sich bauliche und anlagentechnische Umsetzungen beeinflussen, sind Be- 

rechnungsverfahren notwendig, die eine vergleichende Beurteilung unter- 

schiedlicher Lösungen erlauben. Für eine derart ganzheitliche Gebäudepla- 

nung müssen viele Parameter in die Betrachtungen einbezogen werden. Dazu 

werden unterschiedliche Rechenverfahren in Simulationsprogrammen umge- 

setzt, was unabhängig von der Qualität variierende Ergebnisse zur Folge hat. 

Bisher hatten Softwareanwender auch nicht die Möglichkeit, die Simulations- 

ergebnisse zu prüfen. 

Aus diesem Grund hat der Richtlinienausschuss VDI 6020 eine Richtlinie herausgegeben, 

die Mindestanforderungen an entsprechende Rechenverfahren 

stellt. Durch die Vereinheitlichung einer Vielzahl von Randbedingungen und 

Bewertungskriterien und durch die Anwendung von Testbeispielen soll es we- 

nigstens grundlegend möglich sein, die eingesetzten Verfahren zu überprüfen. 

1.2 Simulation und Modellierung 

Um ein real existierendes oder geplantes Gebäude vor der Umsetzung von 

Sanierungsmaßnahmen oder der Erstellung energetisch bewerten und Umsetzungsalternativen 

vergleichen zu können, bietet sich der Einsatz einer ent- 

sprechenden Software an. Es handelt sich dabei um Programme, die eine dy- 

namisch thermische Computersimulation durchführen. Dazu ist es notwendig, 

die Realität in einem Modell zu erfassen. Es bedarf vereinfachter Annahmen, 

um die realen Randbedingungen entsprechend abbilden zu können. Die Ein- 

3

1 Einleitung 

gaben werden dann durch Modellierung in programmspezifische Daten für die 

weiteren Berechnungen nutzbar gemacht. 

Das Zentrum für umweltbewusstes Bauen in Kassel bietet für die Durchführung 

einer thermischen Gebäudesimulation günstige Voraussetzungen. Aus- 

gestattet mit etwa 450 Sensoren und Messpunkten besteht die Möglichkeit, 

die in einer Simulation des Gebäudes erhaltenen Ergebnisse zu verifizieren. 

4

2 Das ZUB – Beschreibung des Simulationsobjektes 


2.1 Ansatz 

Mit der Gründung eines Vereins, dem Zentrum für Umweltbewusstes Bauen 

e.V. (ZUB), wurde auch der gedankliche Grundstein für die Errichtung des 

gleichnamigen Gebäudes gelegt. Das ZUB als Gebäude verkörpert den Ge- 

danken des Vereins und ist als Demonstrations- und Forschungsobjekt konzi- 

piert. Die Idee der Initiatoren war es, eine Schnittstelle für Forschung, Lehre 

und Praxis zu schaffen. Dass bei der Umsetzung umweltbewussten Denkens 

und Handelns im Bereich des Bauens fachübergreifende Kompetenz gefragt 

ist, zeigt sich auch im Vorstand des Vereins. Mit Prof. Dr.-Ing. Gerd Hauser 

(FG Bauphysik), Prof. Dr.-Ing. Gerhard Hausladen (FG Technische Gebäude- 

ausrüstung) und Prof. Dr.-Ing. Gernot Minke (FG Experimentelles Bauen) 

bringen drei Fachgebiete der Universität Gesamthochschule Kassel ihre Kompetenz 

in das Projekt ein. Dementsprechend hoch sind auch die Erwartungen 

und Anforderungen an das Bauobjekt. 

2.2 Gebäude 

Für die Vergabe des Planungsauftrages wurde ein Architektenwettbewerb 

durchgeführt. Das Ergebnis ist ein kompakt wirkendes Gebäude, das sich an 

die vorhandene Bebauung anpasst. Die Gebäudehülle besteht im Wesentli- 

chen aus drei markanten Elementen. 

Bild 1: Südansicht des ZUB [Quelle: Seddig-Architekten] 

Zum einen die durch ihre Verglasung charakterisierte Südfassade, die für alle 

Räume eine ausreichende Tageslichtversorgung bereitstellen soll. Um den 

sommerlichen Wärmeschutz zu gewährleisen, wurde eine 3-Scheiben- 

Wärmeschutzverglasung eingesetzt. Die Verglasung der Firma INTERPANE 

hat einen U-Wert von 0,6 W/m²K (laut Bundesanzeiger). Die Südfassade be- 

5


steht aus festverglasten Teilen und zweiflügligen Elementen, so dass sich 

nach [1] ein gemittelter Gesamt-U-Wert von 0,8 W/m²K ergibt. 

Zum anderen haben die hochwärmegedämmten Außenwände aus 25 cm 

Stahlbeton und einem 30 cm Wärmedämmverbundsystem mit mineralischem 

Putz einen U-Wert von etwa 0,13 W/m²K. 

Das dritte markante Element ist die Lichtfuge, die den ZUB-Neubau an das 

bestehende Kolbenseeger-Gebäude anschließt. Die Aluminium-Glas- 

Konstruktion hat nach [1], ausgenommen der Rauchabzüge, einen U-Wert von 

0,7 W/m²K und soll so die Temperaturen im unbeheizten Atrium in akzeptab- 

len Bereichen halten. 

2.3 Haustechnik 

Das zentrale Element der haustechnischen Anlage sind die thermoaktiven 

Decken. Im 1. OG befinden sich im Fußboden und in der Decke je eine Ebene 

von Rohrregistern im Estrich und im Beton. Im 2. OG gibt es in der Decke nur 

eine Rohrebene und im Fußboden des EG nur eine im Estrich. 

Die Rohrebenen können getrennt voneinander betrieben werden. Dadurch 

kann wahlweise eine Beheizung oder Kühlung der Räume erfolgen. Für den 

Heizfall ist das System über einen entsprechenden Verteiler an die Fernwär- 

meübergabestation des Kolbenseeger-Gebäudes angeschlossen. Wenn das 

System zur Kühlung der Räume beitragen soll, wird der Volumenstrom durch 

die in der Bodenplatte befindlichen Rohre geführt. Durch die permanente Zir- 

kulation des Wassers im Rohrsystem erfolgt eine Abgabe der in den Ge- 

schossdecken gespeicherte Wärme über die Bodenplatte an das Erdreich. 

Damit ist zur Raumkonditionierung nur die Energie für den Betrieb der Um- 

wälzpumpen notwendig. Ebenfalls zum Abführen der im Beton der Geschoss- 

decken gespeicherten Wärme trägt das Prinzip der Nachtlüftung bei. 

Bild 2:Variante des 

Lüftungsprinzips 

6


Neben den Temperaturen ist für ein behagliches Raumklima auch die Luftqua- 

lität von Bedeutung. Alle Räume können durch Öffnen der Fenster gelüftet 

werden. Zusätzlich gibt es eine mechanische Lüftungsanlage, bei der zwei in 

Reihe geschaltete Kreuzwärmetauscher integriert sind. Dadurch kann der Ab- 

luft wertvolle Energie entzogen werden, die zur Vorwärmung der angesaugten 

Frischluft dient. 

2.4 Messtechnik 

Das gesamte Gebäude ist als Forschungsobjekt konzipiert. Dementsprechend 

ist das ZUB mit umfangreicher Messtechnik ausgestattet. So werden zum Bei- 

spiel die Temperaturen und der Volumenstrom der Lüftungsanlage erfasst und 

ausgewertet. Teile der Geschossdecken sind mit Sensoren in drei Ebenen 

versehen, um die Temperaturverläufe im aktivierten Betonkern zu untersu- 

chen. Es werden zudem auch Wärmemengenzählungen durchgeführt und das 

Verhalten des Erdkollektors wird messtechnisch überwacht. 

7

3 Thermoaktive Bauteilsysteme – Betonkernaktivierung 


Es steht außer Frage, dass die ökologischen Erfordernisse weitere Einspa- 

rungen im Bereich der CO2-Produktion notwendig machen. Die gestiegenen 

Anforderungen an die bauliche Ausführung von Gebäuden haben ein neues 

Niveau hinsichtlich der Wärmedämmung gerade auch bei Nichtwohnungsbau- 

ten hervorgebracht. Die Transmissionswärmeverluste können dadurch derart 

reduziert werden, dass für den Heizfall die Nutzung von Niedertemperatur- 

wärme in Betracht gezogen werden kann. 

Die Energieeinsparverordnung (EnEV) bezieht die gesamte Anlagentechnik in 

die Bilanzierung des Energiebedarfs von Gebäuden ein. Damit ergibt sich der 

Ansatz, auch für den Kühlfall optimierte Lösungen anzustreben. Es müssen 

Alternativen zur konventionellen Klimatisierung untersucht werden. Da Innen- 

flächen seit längerem auch zum Heizen verwendet werden, ist es nahelie- 

gend, diese Kapazitäten auch zum Kühlen heranzuziehen. Zur Verfügung ste- 

hen dabei Wände, Decken und Fußböden. Im Zuge einer konsequenten 

Auseinandersetzung mit den Möglichkeiten, tritt die Nutzung natürlicher Kälte- 

quellen in den Vordergrund. 

Für das Kühlsystem hat die Verwendung natürlicher Ressourcen ein erhöhtes 

Temperaturniveau zur Folge. Das wiederum bedingt im Gegensatz zu konven- 

tionellen Systemen, bei denen die anfallenden Wärmelasten sofort abgeführt 

werden können, einen zeitlichen Versatz zwischen Bedarf und Verfügbarkeit 

der Kälte. Das macht eine Zwischenspeicherung der Wärmelasten notwendig. 

Dazu können die vorhandenen Gebäudemassen, vor allem die Geschossdecken 

und Fußböden, aktiviert werden. 

Durch die Speicherung verteilt sich die Kühlarbeit über einen längeren Zeit- 

raum. Es können damit Lastspitzen umgangen werden. Ein Teil der gespei- 

cherten Wärme kann in den Nachtstunden auf natürliche Weise entweichen. 

Dem steht entgegen, dass die hohen Dämmstandards die Wärmetransmission 

und damit die Auskühlung behindern. Aus Sicherheitsgründen ist eine Nacht- 

auskühlung durch geöffnete Fenster oft nicht realisierbar. 

Die Leistungsfähigkeit eines thermoaktiven Bauteilsystems ist unter anderem 

dadurch bestimmt, dass ein großer Anteil freier Oberflächen zur Verfügung 

steht, über die die anfallenden Wärmelasten in das Speicherelement gelangen 

können. An Decken und auf Böden sollten möglichst wenig zusätzliche ther- 

8


mische Widerstände, wie Doppeldecken, Doppelböden oder Bodenbelege, 

vorgesehen werden. 

Eine Voraussetzung, um den Wärmefluss zwischen Raum und Bauteil zu rea- 

lisieren, ist eine gegenüber der Bauteiltemperatur erhöhte Raumtemperatur. 

Der Unterschied sollte im Bereich von 2-3 K liegen, was aber die maximale 

Kühllast für den Raum beschränkt. Aus diesem Grund sollten die internen 

Lasten möglichst klein gehalten werden, was natürlich nur bedingt möglich ist. 

Die Wärmeabgabe von Personen und Apparaten lässt sich nutzungsbedingt 

kaum reglementieren. Damit bleibt an dieser Stelle nur die Möglichkeit, die so- 

laren Energieeinträge zu minimieren. Um ein thermoaktives Bauteilsystem 

sinnvoll betreiben zu können, müssen gehobene Anforderungen an die Ver- 

glasung gestellt werden. 

• U-Wert der Glas-/Rahmenkonstruktion < 1,0 W/m²K 

• Gesamtenergiedurchlassgrad g < 0,5 

• Außenliegender Sonnenschutz [10] 

Nach [11] sollten die Anforderungen an den Wärmedurchgangskoeffizienten 

noch strenger sein und sich dieser in einem Bereich von U ~ 0,6 W/m²K be- 

wegen. 

Flächensysteme zum Heizen und Kühlen [11] 

Die Fußbodenheizung ist ein bekanntes und verbreitetes System, um Flächen 

zum Heizen zu verwenden. Daneben gibt es aber auch Systeme, bei denen 

das Heizsystem in Wand oder Decke integriert ist. 

Bei Flächenheizsystemen werden die Rohrebenen vorwiegend oberflächen- 

nah positioniert. Das bedeutet für eine Fußbodenheizung in einer Deckenkon- 

struktion, dass sich die Rohre im Estrich befinden. Durch die Lage nahe der 

Oberfläche kann ein direkter Wärmeaustausch mit dem Raum erfolgen. Die 

Speichermasse der Rohdecke ist weitgehend vom Raum entkoppelt, was sich 

teilweise negativ auf die Raumklimatisierung auswirkt. 

Bei der Betonkernaktivierung soll gerade die Speicherfähigkeit genutzt wer- 

den. Deshalb werden bei diesen speziellen Flächensystemen die Rohre im 

Beton verlegt. Meistens erfolgt der Einbau zwischen oberer und unterer Bewehrung. 

Die ideale Einbautiefe der Rohre lässt sich nicht ohne weiteres bestimmen, da 

sie vom dynamischen Verlauf der anfallenden Lasten und dem Aufbau der ak- 

tiven Bauteile abhängt. Das thermodynamische Verhalten des Bauteils wird 

9


wiederum durch Dicke, Dichte, Wärmeleitfähigkeit und Wärmekapazität der 

einzelnen Schichten bestimmt. 

Es wurden Untersuchungen an einer ca. 30 cm starken Betondecke mit einer 

unteren Rohrlage 12 cm vom Rand durchgeführt. Man prägte 12 Stunden lang 

eine konvektive Raumlast von 90 W/m² auf beide Oberflächen auf. Ein 24 

Stunden Zyklus wurde betrachtet. Erwähnung sollen dabei die Fälle mit und 

ohne Betonkernaktivierung finden. 

Ohne Betonkernaktivierung fällt die Raumlufttemperatur unmittelbar nach 

Wegfall der Belastung unter die Oberflächentemperaturen. Grund dafür sind 

der Luftwechsel und die Transmissionswärmeverluste. Ab diesem Moment 

kann die Entladung der Speichermasse erfolgen. Es wird aber ein sehr lang- 

samer Prozess sein, so dass sich die Speichermasse bei einer wiederholten 

thermischen Belastung bereits auf einem höheren Temperaturniveau befindet. 

Die operative Temperatur liegt am Ende des Zyklus, wie auch die Fußboden-, 

Decken- und die mittlere Massentemperatur, bei 21,3 °C. 

Wird im Gegensatz dazu die Kernschicht durch das Rohrregister konstant auf 

20 °C gekühlt, liegt die operative Temperatur mit 21,1 °C nur geringfügig tiefer 

als im ungekühlten Zustand. Ganz entscheidend ist aber, dass die Auskühlung 

der Speichermasse wesentlich intensiver erfolgt, so dass mit einer mittleren 

Massentemperatur von 20,1 °C annähernd der Ausgangszustand erreicht 

werden kann. Das bedeutet, dass zu Beginn einer neuen Belastungsphase 

wieder die gesamte Speicherkapazität zur Verfügung steht. 

Die Bilanz fällt für den ungekühlten Fall noch ungünstiger aus, wenn man da- 

von ausgeht, dass die Transmissionswärmeverluste durch hochwärmege- 

dämmte Bauteile geringer ausfallen und sich die Raumlufttemperatur langsa- 

mer abkühlt. 

Behaglichkeit [11] 

Neben den energetischen Aufwendungen für eine Vollklimatisierung von Ge- 

bäuden während der Nutzungszeit kann diese auch Unzufriedenheit bei den 

Nutzern hervorrufen. Der effektive Einsatz von Klimaanlagen setzt, neben 

dem Betreiben einer Wärmerückgewinnung, voraus, dass die Fenster ge- 

schlossen bleiben. Ein Zustand, den viele Menschen als unbefriedigend empfinden. 

Eine nahezu konstante Raumtemperatur kann nur durch permanente 

Luftzufuhr erreicht werden, was zu Zugerscheinungen oder Geräuschbelästi- 

gung durch Ventilatoren führen kann. 

10


Bei Betonkernaktivierungen treten Zugerscheinungen und Geräusche nicht 

auf. Diese sanfte Temperierung ist ein großer Vorteil solcher Systeme. Außer- 

dem kann eine schwankende Raumtemperatur als angenehm empfunden 

werden. 

Es ist nicht ratsam, Flächensysteme zur Temperierung einzusetzen, ohne die 

thermische Behaglichkeit zu berücksichtigen. Wesentlich dafür sind Bekleidung, 

Tätigkeit, Lufttemperatur und –geschwindigkeit, mittlere Strahlungstem- 

peratur und Feuchtigkeit im Raum. Ein Flächensystem beeinflusst in erster Li- 

nie die „operative Temperatur“, die sich als einfacher Mittelwert aus 

Lufttemperatur und mittlerer Strahlungstemperatur ergibt. Die operative Tem- 

peratur für sitzende Tätigkeit (1,2 met) sollte für den Heizfall (Winter) im Be- 

reich von 20-24 °C liegen und sich in einem Bereich für Kühlung (Sommer) 

von 23-26 °C bewegen. 

Ein System mit Betonkernaktivierung nutzt den Beriech der operativen Raum- 

temperaturen aus. Im sommerlichen Kühlfall liegen die Temperaturen mit 

21-23 °C an der unteren Grenze und erreichen im Tagesverlauf den oberen 

Bereich von 24-26 °C. Solange die Temperaturänderungsrate < ± 5 K pro 

Stunde bleibt, kann davon ausgegangen werden, dass die subjektive Bewer- 

tung in einem akzeptablen Bereich liegt (± 0,5 auf der PMV-Skala). In Gebäu- 

den mit Betonkernaktivierung wird keine höhere Temperaturänderungsrate er- 

reicht. 

Auf Grund der Anforderungen an die Strahlungsasymmetrie < 5 K im Heizfall, 

muss die Deckentemperatur auf 27-28 °C begrenzt sein. Damit liegt die ma- 

ximale Heizleistung bei 40-50 W/m². Für den Kühlfall stellt lediglich der Tau- 

punkt eine Begrenzung dar, der nicht unterschritten werden darf. Andernfalls 

würde sich Feuchte an der Decke niederschlagen. Für Fußbodensysteme ist 

ein Temperaturbereich von 19-29 °C vorgegeben. Die Fußbodentemperatur 

darf 20 °C nicht unterschreiten, wenn die sich im Raum aufhaltenden Perso- 

nen überwiegend sitzen. 

Mit Flächensystemen lässt sich die Raumtemperierung bewältigen. Für die 

Konditionierung ist aber die Feuchtigkeit im Raum ebenfalls von Bedeutung, 

die sich mit solchen Systemen nicht beeinflussen lässt. Zum einen wird die 

Behaglichkeit durch eine zu hohe Luftfeuchte negativ beeinflusst. Zum ande- 

ren kann auch die Kühlleistung eines Flächensystems stärker begrenzt wer- 

den, weil es bei hoher Luftfeuchtigkeit eher zur Unterschreitung des Taupunk- 

tes kommt. So werden Systeme mit Betonkernaktivierung häufig in 

Kombination mit mechanischen Be- und Entlüftungssystemen umgesetzt. Um 

hygienische Zustände zu gewährleisten, ist es ausreichend, die Lüftungsanla- 

11


ge auf einen Luftwechsel von 1 bis 2 pro Stunde auszulegen. Im Vergleich da- 

zu sind für eine Vollklimatisierung 4-6fache Luftwechsel notwendig [11]. 

Leistung [11] 

Entscheidend für die Beurteilung der möglichen Leistung eines Flächensys- 

tems sind Kenntnisse über verschiedene Einflussgrößen: 

• Wärmeübergangskoeffizienten zwischen Flächen und Raum 

• Zulässige minimale und maximale Oberflächentemperaturen 

• Flächengröße 

• Verfügbarkeit der thermischen Speicherung 

Der letzte Punkt ist wiederum von Temperatur, Wärmespeicherkapazität und 

Wärmeleitfähigkeit der einzelnen Materialschichten abhängig. 

Tabelle 1: Angaben zur Leistungsbestimmung von Flächensystemen [Olesen, 95 u. 97] 

Boden Randzone 

Wand 

Decke 

Aufenthalt 

Wärmeübergangs - 

koeffizient 

W/m²K 

Heizung Kühlung Max. 

11 

11 

7 

7 

Oberflächentemperatur 

Heizung 

35 

29 

°C 

Min. 

Kühlung 

20 

20 

Maximale 

Leistung 

W/m² 

Heizung Kühlung 

165 

8 8 ~40 17 160 72 

6 11 ~27 17 42 99 

Die Wärmeübergangskoeffizienten für den Heizfall haben jeweils einen Anteil 

von 5,5 W/m²K für den Strahlungswärmeübergang. Der Rest entfällt auf den 

konvektiven Teil. 

Für den Kühlfall ist es wesentlich, zu welchen Teilen die Wärmelast in Kon- 

vektion und Strahlung vorliegt. Durch den Strahlungsanteil werden die Raum- 

temperaturen nicht direkt erhöht, weil die Wärme in die umschließenden Ober- 

flächen übertragen wird. Je geringer also der konvektive Anteil einer 

Wärmequelle ist, desto geringer ist auch die notwendige Temperaturdifferenz 

zwischen Raumlufttemperatur und Oberfläche. 

99 

42 

42 

12


Auslegung [11] 

Grundsätzlich kann bei der Berechnung einer Betonkernaktivierung von den- 

selben Verfahren ausgegangen werden wie bei anderen Flächensystemen. 

Für Verlegeabstand, Rohrdurchmesser, Wassertemperatur und Wasserdurch- 

strömung können die Kenntnisse und Normen für Fußbodenheizungen heran- 

gezogen werden. Es müssen nur die Wärmeübergangskoeffizienten zwischen 

Fläche und Raum angepasst werden; sie sind von der Fläche (Boden, Wand 

oder Decke) und vom Lastfall (Heizen oder Kühlen) abhängig. 

Bei einer Betonkernaktivierung dürfte der Kühlfall für die Auslegung maßge- 

bend sein. Die Auslegung erfolgt mit einer geringen Temperaturdifferenz von 

2-5 K zwischen Vor- und Rücklauf (Spreizung). Damit wird erreicht, dass sich 

die Wassertemperaturen möglichst den Raumtemperaturen annähern. Übli- 

cherweise ergibt sich ein Rohrdurchmesser von 20 bis 25 mm bei einem Ver- 

legeabstand von 15 bis 30 cm. 

Der Einbau der Rohrregister erfolgt während der Rohbauphase zwischen obe- 

rer und unterer Bewehrung. Das und die jahrzehntelange Gebrauchsdauer er- 

fordern einen besonders widerstandsfähigen Rohrwerkstoff. Aus diesen Grün- 

den kommt dabei ein PE-Xa-Rohr zum Einsatz, dessen Ausgangsmaterial 

gute Schlag- und Kerbschlagzähigkeit, sowie eine hohe Reißdehnung auf- 

weist. 

Wärme- und Kältequellen [11] 

Durch die niedrigen Vorlauftemperaturen von 26 bis 28 °C können im Heizfall 

unterschiedliche, erneuerbare Wärmequellen Verwendung finden. So kann 

beispielsweise Solarenergie mit geringen Wassermengen bis auf ein niedriges 

Temperaturniveau genutzt werden. Es kommen auch industrielle Abwärme- 

quellen wie Kondensatoren für gewerbliche Kälte oder andere Formen pro- 

zessbedingter Abwärme in Frage. 

Auch für den Kühlbetrieb bieten sich in der Konsequenz eines energiesparen- 

den Ansatzes erneuerbare Ressourcen an. „So wird das erste Bürogebäude 

mit wasserbetriebener Betonkernkühlung nur während der Nacht gekühlt. Das 

Wasser in den Rohrleitungen wird in trockenen Rückkühlern durch Nachtluft 

auf 19 °C gekühlt.“ Zitat [11] 

Eine weitere Kühlquelle stellt das Grundwasser dar. Des weiteren können 

auch erd- oder grundwasserberührende Bauteile, wie Pfahlgründungen oder 

Bodenplatten, zur Kühlung herangezogen werden. Problematisch ist dabei je- 

doch die nicht konstante Verfügbarkeit der unterstützenden Wirkung des 

13


Grundwassers. Durch verschiedenste Einwirkungen kann sich der Wasserzu- 

fluss ändern und so die Kühlleistung eingeschränkt werden. In diesem Zu- 

sammenhang ist es wichtig, dass Möglichkeiten geschaffen werden, die eine 

Rückkühlung des Erdspeichers in kalten Nächten oder während kalter Monate 

zulassen. 

14

4 Programmbeschreibung 


Für die Bearbeitung der Diplomarbeit stand die Software IDA Indoor Climate 

and Energy (ICE) zur Verfügung. Es handelt sich dabei um ein kommerzielles 

Simulationswerkzeug, das von der Firma EQUA Simulation Technology Group 

AB, Stockholm, Schweden entwickelt wurde. Im Rahmen eines Kooperations- 

vertrages steht dem FG Bauphysik die Lizenz zur Verfügung. Dafür wird bei- 

spielsweise die vorliegende Untersuchung mit der jeweils aktuellen Beta-Test- 

Version durchgeführt. Eventuell auftretende Fehler oder Unregelmäßigkeiten 

werden an den Softwarehersteller weitergeleitet. 

Basis für das spezielle Werkzeug ist die Simulationsumgebung IDA Simulation 

Environment (IDA SE). Die Grundlagen dafür bildeten wiederum Forschungen 

und Entwicklungen des schwedischen Instituts für angewandte Mathematik 

(ITM – Institutet för Tillämpad Matematik), die in die 60er Jahre zurückreichen. 

Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass IDA für „ITMs Differential-Algebraic mo- 

deling and simulation environment“ steht. 

IDA-ICE ist nicht in erster Linie für wissenschaftliche Anwendungen oder For- 

schungen entwickelt wurden, wobei aber die Möglichkeit besteht, auch auf 

dem Gebiet der Forschung mit der Software zu arbeiten. Hauptindikation des 

in dieser Form noch relativ neuen Simulationswerkzeuges sind praktische Hil- 

festellungen bei der Planung und Entwicklung von Gebäuden. In diesem Zu- 

sammenhang spielen die thermische Behaglichkeit, die Luftqualität in den 

Räumen und der Energieverbrauch des Gebäudes eine wesentliche Rolle. 

4.1 Rechenmodell 

IDA Indoor Climate and Energy (ICE) ist die erste Anwendung einer neuen 

Generation von Programmen zur Gebäudesimulation, das die mathemati- 

schen Modelle in Form von Gleichungen beschreibt. Dadurch können bei- 

spielsweise physikalische Vorgänge und Abläufe direkt in mathematischen 

Formeln erfasst und umgesetzt werden. So ist es möglich, Programmmodule 

auf einfache Art zu ersetzen oder zu erweitern [8]. 

15


IDA 

Modeller 

*.IDA 

System 

description 

file 

IDA 

Solver 

*.PRN 

IDA NMF 

Translator 

generierte Zeitreihen 

*.APP 

*.LSP 

*.EO 

*.FOR 

Datei zur Definition 

der Anwendung 

Spezifischer Quellcode 

der Anwendung 

Beschreibung einer 

Komponente 

Gleichung einer 

Komponente 

*.NMF 

Bild 3: Schematische Darstellung der Modellierung und Simulation [nach Per Sahlin] 

ICE basiert auf Bibliotheken mathematischer Modelle für Bestandteile von 

Gebäuden, die im Rahmen des IEA-Projektes (International Energy Agency) 

„Solar Heating & Cooling Programm, Task 22, Subtask B“ entwickelt und vali- 

diert wurden. Die entsprechende Bibliothek ist im Neutral Model Format (NMF) 

geschrieben. Der gleichungsbasierte NMF-Code ist eine programmunabhän- 

gige Sprache. Mit dieser ist es möglich, dynamische Systeme unter Verwen- 

dung von Gleichungen der differentialen Algebra zu modellieren [8]. Physikali- 

sche Vorgänge können modular abgebildet werden, was bedeutet, dass 

Teilprozesse direkt in Gleichungen im NMF-Code umgesetzt werden können. 

Damit dient NMF der Nachvollziehbarkeit des Modells und gleichermaßen als 

Eingabe für die automatische Übersetzung in das Format verschiedener Simu- 

lationsumgebungen (wie z.B. TRNSYS, HVACSIM+, IDA SE). 

NMF-Quellcode 

einer Komponente 

Vereinfachend kann der grobe Zusammenhang für den speziellen Fall IDA 

ICE wie folgt wiedergegeben werden: Das Gebäude mit seinen Komponenten, 

16


wie z.B. der Geometrie, dem Strahlungsaustausch und der Haustechnik wird 

modular betrachtet. Diese einzelnen Module werden dann in Form von Glei- 

chungen im NMF-Code wiedergegeben und bilden so die mathematische Ba- 

sis. Beispielsweise gibt es für eine Pumpe ein entsprechendes NMF-Modell. 

Der IDA NMF Translator konvertiert dann diese Dateien in einen FORTRAN 

oder C Code und damit in ein Format, das vom IDA Solver zum Lösen der 

Gleichungen benötigt wird [9]. 

4.2 Programmgestaltung 

Die folgenden Ausführungen orientieren sich inhaltlich am IDA ICE Handbuch 

[6]. Grundsätzlich gliedert sich das Programm IDA ICE in drei Niveaus (Level), 

die sich durch die Möglichkeiten der Eingabe und teilweise durch die mögli- 

chen Ergebnisse unterscheiden. Es sollen die Bezeichnungen wie im Pro- 

gramm verwendet werden: 

• Room Wizard 

• Standard Level 

• Advanced Level. 

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass es bei der Parametereinstellung 

für z.B. Wände oder Fenster ebenfalls eine Eingabemöglichkeit ‚Advanced’ 

gibt, die aber auf dem Niveau des ‚Standard Levels’ eine Bearbeitung ermög- 

licht und nicht mit dem ‚Advanced Level’ verwechselt werden sollte. 

Room Wizard 

Dabei handelt es sich um eine einfache Eingabevariante, bei der man ver- 

schiedene Einstellungen für eine einzelne Zone vornehmen kann. Es bieten 

sich dem Nutzer der Reihe nach verschiedene Möglichkeiten, vorgegebene 

Randbedingungen anzupassen. Dieses sehr einfache Niveau kann dazu dienen, 

die Auswirkungen bei Veränderungen einzelner Parameter zu untersu- 

chen oder die Ausgangsbasis für den nächsten Level bereitzustellen. 

17


Bild 4: Eingabemaske im einfachsten Level – Room Wizard 

Auch in diesem einfachen Level bestehen individuelle Anpassungsmöglichkeiten 

für die im Bild zu sehenden Eigenschaften einer Zone. Alle unterstriche- 

nen Eingabefelder führen zu Untermenüs, z.B. der Hülle, der Verglasung, der 

inneren Verschattung oder des ausgewählten Standorts. Das Registerfeld 

‚General’ lässt ebenfalls Anpassungen im einfachen Modus zu. Über die drei 

übrigen Registerfelder gelangt man in das ‚Standard Level’, welches ein höhe- 

res Niveau darstellt, von dem aus man nicht mehr in den einfachen Modus 

wechseln kann. 

Es besteht die Möglichkeit, eine Simulation für die angepasste Zone durchfüh- 

ren zu lassen. In der aktuellen IDA ICE Version 3.beta ist der Room Wizard 

ein eigenständiger Programmteil, der zur Ermittlung der Ergebnisse eine Ver- 

bindung zum IDA-Server herstellt. 

Mit der Option ‚Create building model’ wird ein Gebäudemodell erstellt, wel- 

ches eine Zone enthält. Diese Zone entspricht mit ihren Parametern dem 

Raum aus dem Room Wizard. 

18


Standard Level 

Mit der Erzeugung eines Gebäudemodells vom einfachen Modus aus hat man 

eine Möglichkeit genutzt, in den ‚Standard Level’ zu wechseln. Es sei noch 

einmal darauf hingewiesen, dass sich Veränderungen, die in einem höheren 

Level gemacht werden, nicht auf die niedrigeren Level auswirken. Eine zweite 

Möglichkeit, in den ‚Standard Level’ zu gelangen, besteht darin, nach dem 

Programmstart ein Gebäudemodell mit oder ohne „Zone“ erstellen zu lassen. 

Bild 5: Möglichkeit einer Gebäudesimulation mit einer Zone – Standard Level 

Das Bild zeigt die allgemeine Eingabeoberfläche (General). An dieser Stelle 

kann man alle Anpassungsoptionen anwählen, die für das Gesamtobjekt not- 

wendig sind oder über das Öffnen einer Zone dort jeweils individuelle Anpas- 

sungen vornehmen. 

19


Die Anpassungsmöglichkeiten bezüglich des Gebäudes und der allgemeinen 

Parameter beziehen sich z.B. auf: 

• die Definition der Gebäudegeometrie 

• verwendete Materialien 

• Kontrolleinstellungen für die Anlagentechnik 

• die Verschattung durch umgebende Objekte 

• die Auswahl bestimmter Klimaprofile etc. 

Das ‚Standart Level’ soll in seiner Detailtiefe so gestaltet sein, dass es auch 

von Anwendern mit wenig speziellen Simulationskenntnissen bearbeitet wer- 

den kann. Die Möglichkeiten sind sehr vielfältig, da die meisten Einstellungen 

über weitere Parameter definiert sind. So kann man beispielsweise über eine 

Zone zur Definition derer Wände bis hin zur Erstellung eines neuen Materials 

als Ressource gelangen. 

An dieser Stelle sind zwei wichtige Bemerkungen notwendig. Zum einen sind 

bei den ‚IDA Resources’ gemachte Einträge und Veränderungen immer nur im 

entsprechenden Projekt verfügbar. Soll also eine Ressource für verschiedene 

Projekte verwendet werden, empfiehlt es sich, die entsprechend neuen Datei- 

en aus IDA heraus als Kopie über den Befehl ‚Save as...’ vom bestehenden 

Projekt abzuleiten. Eine zweite Möglichkeit, Ressourcen generell verfügbar zu 

machen, besteht darin, die entsprechende Ressource in die Datenbank zu 

schreiben. Bei mehreren Objekten mit vielen unterschiedlichen Komponenten 

dürfte die Datenbank bald recht unübersichtlich werden. 

Eine weitere wichtige Bemerkung bezieht sich auf das Eingabefeld für die 

Wanddefinitionen. Im folgenden Bild ist ein Registerfeld ‚Advanced’ sichtbar. 

Dabei handelt es sich aber nicht um einen Wechsel in das ‚Advanced Level’, 

sondern um die abgebildeten Einstellungsmöglichkeiten für die ausgewählte 

Wand einer Zone. 

Unter ‚Wall’ können Objekte, z.B. Fenster, Heizkörper etc., eingefügt und die 

Geometrie verändert werden. Das Registerfeld ‚Outline’ enthält eine Zusam- 

menfassung aller Informationen bezüglich der Wand. An dieser Stelle besteht 

auch die Möglichkeit, einige Einträge zentral anzupassen. 

20


Bild 6: Eingabemaske zur Definition einer Wand 

Advanced Level 

Diese dritte Ebene des Programms kann man nicht auf direktem Weg errei- 

chen. Um im ‚Advanced Level’ arbeiten zu können, ist es notwendig, ein ma- 

thematisches Modell des Gebäudes erstellen zu lassen. Dazu wählt man über 

‚Tools’ den Befehl ‚Build model’. IDA ICE versucht nun aus den vorgegebenen 

Parametern ein mathematisches Modell des Gebäudes inklusive aller Zonen 

und der Anlagentechnik zu erstellen. Sollte dies nicht möglich sein, wird in ei- 

nem Dialogfeld eine Fehlermeldung unter Angabe der nicht verwertbaren Ein- 

stellungen gegeben. 

Sollten alle Eingaben korrekt sein, wird ein mathematisches Modell gebildet 

und die allgemeine Eingabemaske, wie auch die Eingabemasken der einzel- 

nen Zonen, erhalten ein zusätzliches Registerfeld ‚Scheme’. 

Innerhalb dieses Systems bewegt man sich nicht mehr in den physischen 

Grenzen des Simulationsmodells. Vielmehr liegt das Modell jetzt in Form ein- 

zelner, miteinander verknüpfter Komponenten vor, deren Bedeutungen durch 

Gleichungen definiert sind [6]. 

In dieser Ebene können die Struktur der Verbindungen und die Parameter der 

Gleichungen frei verändert werden. An dieser Stelle vorgenommene Verände- 

rungen geschehen direkt am mathematischen Modell. Diese haben aber keine 

Wirkung auf den ‚Standard Level’. Alle Veränderungen, die im ‚Advanced Level’ 

vorgenommen werden, gehen verloren, wenn man erneut ein mathemati- 

sches Modell erzeugen ließe. Dafür werden immer die Eingaben des ‚Stan- 

21


dard Levels’ verwendet. Das bedeutet wiederum, dass Veränderungen im 

‚Advanced Level’ nicht durch das Programm auf Modellkonformität überprüft 

werden können. Der Fehler für eine nicht lauffähige Simulation dürfte nicht 

leicht zu lokalisieren sein. 

Bild 7: Darstellung einer Zone im Advanced Level 

4.3 Besonderheiten 

Eine Besonderheit zeichnet sich beim Speichern der Dateien ab. Wird von IDA 

ICE aus eine Datei gespeichert, entstehen zwei Dateien und ein Ordner im 

ausgewählten Verzeichnis. Ordner und Dateien erhalten den gleichen Namen. 

Die Dateien erhalten die Dateinamenerweiterungen .idm und .idc. In der *.idm 

werden alle logischen Informationen gespeichert, wie z.B. Parameter, Variable 

und Zeitpläne. Die *.idc enthält graphische Informationen, z.B. zur Größe und 

Positionierung entsprechender Objekte. Der zu einer Datei gehörende Ordner 

enthält ebenfalls .idm und .idc-Dateien einzelner Komponenten, wie dem 

Wärme-/Kälteerzeuger, der Lüftungs-Steuer-Einheit und der enthaltenen Zo- 

nen. Für den Fall einer erfolgreich durchgeführten Simulation werden Unter- 

ordner mit den Ergebnisdateien im .prn-Format angelegt. Es empfiehlt sich, 

Kopien von Projekten aus IDA ICE zu erstellen oder beim Kopieren im Explo- 

22


rer darauf zu achten, dass die zusammengehörenden Ordner und Dateien 

vollständig erfasst werden. 

Es erfolgt während der Benutzung bzw. während der Eingabe kein automati- 

sches Speichern. Das hat zur Folge, dass der Anwender nach einer geeigne- 

ten Anzahl von Veränderungen selbstständig den aktuellen Bearbeitungsstand 

fixieren muss. 

In diesem Zusammenhang ist eine weitere Besonderheit bedeutsam. Es be- 

steht nicht die Möglichkeit, eine oder mehrere Veränderungen rückgängig zu 

machen. Wird also nicht sehr häufig zwischengespeichert und möchte man 

Veränderungen wieder zurücksetzen, muss man die Ausgangssituation erneut 

eingeben. Das kann sehr aufwendig sein, wenn schon einige Bearbeitungs- 

schritte durchgeführt wurden. Es ist deshalb sinnvoll, häufig zu speichern und 

regelmäßig durch Erstellen des mathematischen Modells, die Richtigkeit der 

durchgeführten Anpassungen hinsichtlich der Modellierbarkeit zu prüfen. Au- 

ßerdem ist das erzeugte mathematische Modell sichtbar und bietet eine Viel- 

zahl von Überprüfungsmöglichkeiten für die getroffenen Annahmen mittels Pa- 

rametern und Variablen. 

Die Simulation kann aus dem ‚Avanced Level’ heraus mit dem Befehl ‚Run 

model’ gestartet werden, wobei das zuvor erstellte, mathematisch Modell er- 

halten bleibt. Hat man Veränderungen im ‚Scheme’ des ‚Advanced Levels’ 

vorgenommen, die in der Simulation berücksichtigt werden sollen, bleibt nur 

diese Möglichkeit zum Berechnen der Ergebnisse. 

Würde zum Start der Befehl ‚Run’ verwendet, kommt es zu einer Sicherheits- 

abfrage, da für die notwendige Erstellung des mathematischen Modells die 

Eingaben des Standardlevels herangezogen werden. Die Veränderungen des 

‚Advanced Levels’ werden verworfen. Beim Arbeiten mit dem Befahl ‚Run’ er- 

hält man die Simulationsergebnisse, ohne dass ein bearbeitbares, mathemati- 

sches Modell erstellt wird. Sind Eingaben nicht modellierbar, erfolgt die ent- 

sprechende Fehlermeldung und der Vorgang wird abgebrochen. 

4.4 Besondere Details 

In diesem Kapitel soll auf einige Problempunkte bei der Eingabe hingewiesen 

werden, um möglichen Schwierigkeiten vorzubeugen. Der Ansatz ist es, die 

Nachvollziehbarkeit des Modells zu gewährleisten. 

23


4.4.1 Geteilte Wände 

Es gibt die Möglichkeit, dass einige Wände des Gebäudemodells aus zwei 

oder mehr Teilabschnitten bestehen. Diese Partitionierung von Wänden ist 

aus verschiedenen Gründen hilfreich. 

Besteht die Wand einer Zone aus verschiedenen Materialien, kann man diese 

über die Variante einer Teilung der Wand modellieren. Der Fall kann eingabe- 

bedingt eintreten, wenn, durch die Zusammenlegung von Räumen zu Zonen, 

eine Zonenwand aus unterschiedlichen Aufbauten der einzelnen Räume be- 

steht. 

Die Aufteilung einer Wand in Teilabschnitte ist dabei die Variante mit den 

meisten Freiräumen bei der weiteren Modellierung. Jeder Teilabschnitt kann 

wie eine separate Wand behandelt und angepasst werden. Es können alle 

Möglichkeiten für die Definition einer Wand angewendet werden, einschließ- 

lich des Einfügens von Objekten, wie Türen, Fenster, Heiz- oder Kühlgeräte. 

Es existieren nicht alle Optionen, wenn man einen Wandteil über das Einfügen 

des Objektes ‚Wall part’ bestimmt. Es können beispielsweise keine weiteren 

Objekte eingefügt werden, da es sich bei ‚Wall part’ selbst um ein solches 

handelt. 

Bild 8: Markierte Zone zum Teilen von Wänden 

Die beschriebene Möglichkeit Wände zu teilen, besteht unter dem Register 

‚Floor plan’. Hier kann die Zone mit der linken Maustaste markiert werden. An- 

schließend wird über die rechte Maustaste ein Untermenü geöffnet und der 

Befehl ‚Edit’ gewählt. Die Markierung der Zone ändert sich in eine editierbare 

24


Polylinie, auf der neue Wandpunkte eingefügt werden können. Jeder dieser 

neuen Polygonpunkte definiert Anfang und Ende eines Wandabschnitts. Wird 

ein Punkt eingefügt, entstehen zwei Wandabschnitte, die vom Programm au- 

tomatisch nummeriert und aufgelistet werden. Diese können jetzt separat de- 

finiert werden. 

Für eine andere Situation ist das Teilen der Wände ebenso hilfreich. Bei gegliederten 

Fassaden, wie auch beim bearbeiteten ZUB, reichen Zonen meist 

über verschiedene Fassadenabschnitte. Die Wahrscheinlichkeit, dass diese 

Situation vorliegt, nimmt mit der Größe der Zonen zu. Über das Teilen der 

Wände besteht die Möglichkeit, die Wandabschnitte den zugehörigen Fassa- 

den zuzuordnen. 

4.4.2 Eingefügte Objekte 

Je nach Bauteil (Wand, Boden, Decke) gibt es die Möglichkeit, verschiedene 

Objekte einzufügen. Dabei handelt es sich beispielsweise um Türen, Fenster, 

Heizkörper, Kühlgeräte, Wandteile, Leckagen, etc.. 

Man muss beachten, dass zwei solcher Objekte programmbedingt nicht über- 

einander liegen können. Aus diesem Grund ist es auch nicht möglich, die 

Fußbodenheizung und die Kühldecken mit dem gleichen Objekt ‚Flächenheizung’ 

in einer Decke abzubilden. 

Zu einer Abweichung von den Gegebenheiten hat diese Einschränkung in der 

Zone EG 2, die den Hörsaal modelliert, geführt. Ein Teil des Fußbodens be- 

findet sich nicht über dem Kellergeschoss, sondern hat Kontakt mit dem Erd- 

reich, weil der Hörsaal aus dem Gebäude herausragt. Diese Situation konnte 

nur darüber abgebildet werden, dass ein ‚Wall part’ als Objekt eingeführt wur- 

de. Die Konsequenz daraus ist, dass die ebenfalls als Objekt eingefügte Fuß- 

bodenheizung nur noch die verbleibende Fläche einnehmen kann. 

25

5 Vorgehensweise bei der Simulation 


Im Kapitel 4 ist auf die verwendete Simulationssoftware eingegangen worden. 

In diesem Kapitel sollen spezielle Details bei der real durchgeführten Simulati- 

on erläutert werden. Eine der Schwierigkeiten der durchgeführten Untersu- 

chung liegt darin, dass im Vorfeld nicht überschaubar war, ob die Modellierung 

des Gebäudes in seiner Gesamtheit möglich ist. Am betreuenden Fachgebiet 

ist die verwendete Software neu und in diesem Zusammenhang noch nicht 

angewendet worden. 

Um die Komplexität eines gesamten Gebäudes mit den verschiedenen Räu- 

men und Bauteilen zu simulieren, bedarf es einer Vielzahl von Vereinfachun- 

gen und Annahmen, auf die im vorliegenden Kapitel ausführlich eingegangen 

wird. 

5.1 Vereinfachungen und Annahmen 

Um ein reales Gebäude wie das ZUB simulieren zu können, ist es notwendig, 

die vorhandene Geometrie und die Aufteilung des Gebäudes zu vereinfachen. 

Dieses Vorgehen dient dazu, bei der Ergebnisfindung den Rechenaufwand 

und die Fehleranfälligkeit zu reduzieren. Die Vereinfachung erfolgt im geomet- 

rischen Zusammenhang so, dass einzelne Räume mit gleichen Eigenschaften 

zu Zonen zusammengefasst werden. Die Zonenbildung für die jeweiligen Ge- 

schosse wird im Kapitel 5.1.1 erläutert. Bei den Maßen handelt es sich pro- 

grammbedingt um Innenmaßbezüge. Die den Plänen entnommenen Maße 

werden auf volle Zentimeter aufgerundet. 

In erster Linie soll möglichst eine Betrachtung des Gesamtenergiebedarfs des 

Gebäudes erfolgen. Priorität hat dabei der jährliche Heizwärmebedarf. Aus 

diesem Grund wird als eine der Grundoptionen bei der Simulation das Ener- 

giemodell der Software gewählt. Beim Klimamodell wäre das mathematische 

Modell entsprechend detaillierter, was einen erhöhten Zeitaufwand bei der 

Simulation zur Folge haben kann. Das Innenklima könnte Inhalt späterer Un- 

tersuchungen sein. Die entsprechende Auswahl des Energiemodells bedeutet, 

dass zur Simulation ein einfacheres mathematisches Modell erstellt wird. 

26


5.1.1 Geometrie und bauliche Ausführung 

Im Kellergeschoss befinden sich Sanitäreinrichtungen, der Haustechnikraum 

und ein Experimentalbereich. Es ist nicht erforderlich, die Räume separat zu 

untersuchen, bzw. deren gegenseitige thermische Beeinflussung zu betrach- 

ten. Im Kellergeschoss ist lediglich die Bodenplatte interessant. In dieser befindet 

sich eine Rohrlage, die im Bedarfsfall zur Kühlung der TAD beitragen 

soll, indem Wärme über die Bodenplatte an das Erdreich abgegeben wird. Zur 

vereinfachten Anpassung des Modells der Fußbodenheizung als Kühlregister, 

wird das Kellergeschoss zu zwei einfachen, rechtwinkligen Zonen zusammen- 

gefasst. Diese sind der Experimentalbereich und eine größere Zone, die die 

restlichen Räume umfasst. Die lichte Höhe im Kellergeschoss beträgt 2,78 m. 

Der Experimentalbereich reicht bis in das Erdgeschoss und hat somit eine 

lichte Höhe von 6,71 m. Im Erdgeschoss betragen die lichten Raumhöhen 

6,63 und in den Obergeschossen 3,35 m. 

Tabelle 2: Zuordnung der Zonen im Kellergeschoss 

Zone Räume in der Zone Abmessungen [m * m] 

KG 1 R –01, –02, –03, –04, -05, -06, -07, -09, -10, 8,32 * 32,26 

KG 2 R –08 (Experimentalbereich) 6,41 * 13,29 

Im Erdgeschoss werden die Büroräume R 0.01 und R 0.02 zur Zone EG 1 

zusammengefasst. Dabei wird großzügig vereinfacht. Der schlauchförmige 

Eingangsbereich wird dem Atrium zugewiesen, wodurch wiederum ein regel- 

mäßiges Rechteck für EG 1 entsteht. Der Innenwandstummel der Lehmwand 

soll vernachlässigt werden und in der Modellierung entfallen. Eine weitere Zo- 

ne ist der Hörsaal als ein großer Raum, ohne Berücksichtigung der mobilen 

Trennwand. Das Stuhllager und der Experimentalbereich gehen mit ihren entsprechenden 

Dimensionen in den jeweiligen Zonen auf. Die Empore sowie der 

Lehmwandstummel im Experimentalbereich werden nicht in die Betrachtun- 

gen einbezogen. Zu erwähnen ist, dass der Experimentalbereich aus dem Kel- 

lergeschoss bis ins Erdgeschoss reicht, so dass er keine separate Zone dar- 

stellt. 

Das Atrium bildet mit seiner verbleibenden Fläche die vierte Zone dieser Ebe- 

ne. Dabei wird der Flächenzugewinn aus der Vereinfachung im Eingangsbe- 

reich bei Zone EG 1 durch eine weitere geometrische Vereinfachung kompen- 

siert. Die Glasfassade wird in einer Flucht mit der Innenwand des 

Experimentalbereichs modelliert. Mit Ausnahme der Nische des gegenüberlie- 

27


genden Eingangsbereiches entsteht somit wieder eine einfache, rechteckige 

Form mit einer dementsprechend geringen Anzahl von Ecken. 

Die Form des Atriums musste während der Eingaben noch einmal vereinfacht 

werden, weil die Gestalt der angrenzenden Flächen für die Modellbildung zu 

komplex war. So musste die Gestalt des Atriums auf ein einfaches Rechteck 

reduziert werden. Die daraus resultierende Verkürzung in Längsrichtung wird 

durch einen Zuschlag bei der Tiefe ausgeglichen. Die mit der Umgebung in 

Verbindung stehende Glasfassade des Atriums wird dabei nicht beeinträchtigt. 

Tabelle 3: Zuordnung der Zonen im Erdgeschoss 


EG 1 R 0.01 und 0.02 (ohne Eingangsschlauch) 7,06 * 5,50 

EG 2 R 0.04 und 0.05 (Hörsaal insgesamt) 8,12 * 21,40 

EG 3 R 0.07 (Stuhllager) 5,20 * 4,77 

EG 4 R 0.09 (Atrium) 4,30 * 26,80 

Im 1. Obergeschoss wird das Atrium in der gleichen Weise abgebildet wie im 

Erdgeschoss. Zur Vereinfachung wird der Durchgang zur Terrasse nicht zum 

Atrium gerechnet, sondern der Zone der Büroräume zugewiesen. Der Besprechungsraum 

und das angrenzende Büro, sowie die verbleibenden drei Büro- 

räume zuzüglich dem Durchgang werden zu je einer Zone zusammengefasst. 

Tabelle 4: Zuordnung der Zonen im 1. Obergeschoss 


1.OG 1 R 1.01 und 1.02 (ohne Eingangsschlauch) 2,30 * 5,39 

4,77 * 13,45 

1.OG 2 R 1.05, 1.06, 1.07 (Büroräume)+Durchgang 4,77 * 18,70 

1.OG 3 R 1.08 (Experimentalbereich) 7,06 * 13,29 

1.OG 4 R 1.09 (Atrium) 4,30 * 26,80 

Die Aufteilung des 2. Obergeschosses soll dem des 1. Obergeschosses ent- 

sprechen. Eine Ausnahme ist hier der wirklich vorhandene Büroraum an Stelle 

des Durchgangs. Abweichend von der gedanklich gemachten geometrischen 

Gestalt der Zonen musste im 2. Obergeschoss ebenfalls programmbedingt ei- 

ne Anpassung erfolgen. Wie beim Atrium im Erdgeschoss war bei Zone 

28


2.OG 1 die Gestalt der angrenzenden Flächen in Bezug auf die darunter be- 

findliche Zone 1.OG 1 zu komplex. Dementsprechend wurde die Zone wäh- 

rend der Eingabe auf eine nicht verwinkelte Rechteckform reduziert. Das Feh- 

len der nicht erfassten 10 m² wird als gering angesehen, weil die Möglichkeit 

einer Gesamtsimulation des Gebäudes Priorität hat. 

Tabelle 5: Zuordnung der Zonen im 2. Obergeschoss 


2.OG 1 R 2.01 und 2.02 (reduziert) 4,77 * 13,45 

2.OG 2 R 2.04, 2.05, 2.06 und 2.07 (Büroräume) 4,77 * 18,70 

2.OG 3 R 2.08 (Experimentalbereich) 7,06 * 13,29 

2.OG 4 R 2.09 (Atrium) 4,30 * 26,80 

Die Geometrie des Gebäudes ist die äußere Begrenzung der Zonen. Für sie 

gilt: Damit alle Zonen innerhalb der Außenwände liegen, muss die projezierte 

Fläche des Gebäudes als Grundfläche angenommen werden. Da aber beim 

untersuchten Objekt nur der Hörsaal im Erdgeschoss aus der Fassade hervor- 

tritt, bedeutet dies, dass die Zonen über und unter der Zone EG 2 keine Au- 

ßenwände an der Südseite haben. Durch eine entsprechende Option ist es 

möglich, die betroffenen Wände mit der Fassade zu verbinden. Dabei ist mo- 

dellhaftes Denken gefragt, weil sich die Zonen optisch im Gebäudeinneren be- 

finden, aber trotzdem Außenwände aufweisen. Es kann notwendig werden, 

einzelne Wände zu teilen, wenn die Zonen über verschiedene Fassadenab- 

schnitte reichen. 

Das schräge Atriumdach aus einer Aluminium-Glas-Konstruktion konnte in der 

ausgeführte Form nicht problemlos modelliert werden. An dieser Stelle wurde 

die Vereinfachung getroffen, das Dach als horizontal anzusetzen und wie ein 

geschlossenes Fenster zu behandeln. 

Im Folgenden wird die Aufteilung der Zonen an Hand der Grundrisse verdeut- 

licht. Gleichzeitig wird die Zusammenfassung der Räume zu den Zonen dar- 

gestellt. 

29


KG 2 

KG 1 

Bild 9: Aufteilung der Zonen im Kellergeschoss 

30


EG 4 

KG 2 

EG 3 

EG 1 

EG 2 

Bild 10: Aufteilung der Zonen im Erdgeschoss 

31


1.OG 4 

1.OG 3 

1.OG 2 

1.OG 1 

Bild 11: Aufteilung der Zonen im 1. Obergeschoss 

32


2.OG 4 

2.OG 3 

2.OG 1 

2.OG 2 

Bild 12: Aufteilung der Zonen im 2. Obergeschoss 

33


5.1.2 Haustechnik 

In diesem Bereich sollen keine näheren Untersuchungen im Rahmen dieser 

Arbeit gemacht werden. Aus diesem Grund sind die meisten Parameter der 

haustechnischen Eingabemöglichkeiten mit Idealwerten angesetzt. Das be- 

deutet beispielsweise, dass die Leistung des Heizkessels auf einen sehr hohen 

Maximalwert gesetzt wird. Dadurch steht immer ausreichend Heizleistung 

zur Verfügung, wenn diese zur Erwärmung der Räume benötigt wird. Auf die- 

se Weise werden die mindestens geforderten Raumtemperaturen zur Füh- 

rungsgröße. 

Die beheizten Zonen sind mit Fußbodenheizung ausgestattet. In der verwen- 

deten Beta-Test-Version der Simulationssoftware ist es möglich, eine Fußbo- 

denheizung als Objekt einzufügen. Ein eingefügtes Objekt darf aber nicht die 

gesamte Fläche einnehmen. Es wurde dementsprechend umlaufend ein 

Randabstand von 10 cm belassen. 

Die Lüftungsanlage ist im Simulationsprogramm standardmäßig mit der Mög- 

lichkeit der Beheizung und Kühlung der Zuluft angesetzt. Da im ZUB keine 

Klimaanlage vorhanden ist, sind diese beiden Anlagenteile mit einem Nut- 

zungsgrad von Null angegeben. Das bedeutet praktisch, dass keine zusätzli- 

che Temperierung der Zuluft erfolgt. Im Bedarfsfall kann die kühle Frischluft 

über einen Kreuzwärmetauscher vorgewärmt werden. Ein Modul zur Simulati- 

on der Wärmerückgewinnung ist im Modell der Lüftungsanlage abgebildet und 

wird mit einem Wirkungsgrad von 0,8 angesetzt [3]. 

Der Luftwechsel wird wie eine Variante im Auslegungsfall in [3] mit n=0,5 h -1 

angesetzt, was dem üblichen Auslegungsluftwechsel entspricht. Dabei kann 

natürliche Lüftung simuliert werden, wenn der Wirkungsgrad des Wärmetau- 

schers zu Null gesetzt wird. Das bedeutet dann, dass die Zuluft mit Außen- 

temperaturen eingebracht wird. Es wird von einem ideal dichten Gebäude 

ausgegangen und somit kein zusätzlicher Infiltrationsluftwechsel berücksich- 

tigt. Programmbedingt muss das entsprechende Eingabefeld für die Lecka- 

genfläche belegt sein. Es ist dort ein kleiner Wert angesetzt, den man ver- 

nachlässigen kann. 

Bei den Leuchtmitteln kommen durchgängig Leuchtstoffröhren zum Einsatz. 

Eine Ausnahme bilden die zusätzlichen Spots im Hörsaal. Es ist davon aus- 

zugehen, dass entweder nur die Leuchtstoffröhren oder nur die Spots betrie- 

ben werden. Aus diesem Grund wird die größere Leistung der Leuchtstoffröh- 

ren angesetzt. Durch das eingesetzte Kunstlicht entstehen bei der 

Betrachtung des sommerlichen Wärmeverhaltens zusätzliche interne Lasten. 

Für den Winterfall bedeuten diese eine positive Beeinflussung der Wärmebi- 

34


lanz. In beiden Fällen stellt das Kunstlicht einen Anteil am Gesamtenergie- 

verbrauch des Gebäudes dar. Aus diesen Gründen werden die entsprechen- 

den Leistungen für das eingesetzte Kunstlicht zusammengefasst für die Zonen 

in die Untersuchungen aufgenommen. Erfasst werden nur die Zonen, bei de- 

nen von einer regelmäßigen Nutzung auszugehen ist. 

5.1.3 Nutzungszeiten 

Tabelle 6: Leistungswerte für Kunstlicht in den Zonen (Quelle [1]) 

Raumart Zone Leitung [W] Lichtausbeute 

Büro 

Flur/Atrium 

Experimental 

EG 1 6*39 = 234 

1.OG 1 15*39 = 585 

1.OG 2 12*39 = 468 

2.OG 1 10*39 = 390 

2.OG 2 14*39 = 546 

EG 4 6*55 = 330 

1.OG 4 6*55 = 330 

2.OG 4 6*55 = 330 

KG 2 24*55 = 1320 

1.OG 3 24*55 = 1320 

2.OG 3 24*55 = 1320 

[lm/W] 

Hörsaal EG 2 36*55 = 1980 91 

Es kann durchschnittlich von einer wochentäglichen Nutzung zwischen 8 und 

17 Uhr ausgegangen werden. Die Nutzungszeit entspricht der Raumbelegung 

und hat damit Einfluss auf die Lichtanschaltzeiten und die internen Wärmegewinne 

durch Personen und Geräteausstattung. 

In diesem Zusammenhang kann die angenommene Raumbelegung mit Per- 

sonen und die Ausstattung der Zonen mit Geräten angeführt werden. 

Für die vordergründig betrachtete Heizperiode wird bei den Personen mit ei- 

nem Bekleidungsfaktor von 1,0 clo gerechnet, was für den Winterfall ein rea- 

listischer Ansatz ist. Im Bürobetrieb ist von Personen mit sitzender Tätigkeit 

(1,2 met) auszugehen. Es wird angenommen, dass sich während der Nut- 

85 

91 

91 

35


zungszeit in jedem Büroraum eine Person befindet. Der Hörsaal wird für die 

Modellierung mit durchschnittlich 20 Personen besetzt. 

Nach [11] können für die in einem Büro befindlichen Geräte folgende Leis- 

tungswerte angegeben werden. 

Tabelle 7: Angaben für den aktiven Betrieb von Bürogeräten (Quelle [11]) 

Gerät Leistungs- 

angabe 

[W] 

Wärme- 

abgabe 

[W] 

Konvektion 

[%] 

PC mit 17“ Monitor 575 133 78 

Laser Drucker 836 248 89 

Kopierer 1320 181 86 

Auf Grund der ständigen Leistungszunahme bei den Geräten und einer mögli- 

chen Belegung der Büros mit zwei Arbeitsplätzen ist pro Büro ein summierter 

Wert von 500 W für die Wärmeabgabe angesetzt worden. Der konvektive An- 

teil wird mit durchschnittlich 20 % veranschlagt. 

5.1.4 TAD und Bodenplatte 

Bei den thermoaktiven Decken müssen hinsichtlich ihrer Ausführung und da- 

mit auch für deren Betrieb starke Vereinfachungen getroffen werden. Wie 

noch näher erläutert wird, kann das System im Hinblick auf die Aufgabenstel- 

lung nicht wie vorhanden modelliert werden. Im Wesentlichen werden sich die 

Vereinfachungen darauf beziehen, die obere und untere Rohrebene getrennt 

abzubilden. Das Gebäude wird für den Heizfall im Winter nur mit der Rohrlage 

im Estrich modelliert und dementsprechend als konventionelle Fußbodenhei- 

zung simuliert. Die Rohrlage in den Rohdecken soll nicht zum Erwärmen der 

Räume herangezogen werden, was praktisch möglich ist. Es soll versucht 

werden, diese untere Rohrebene mit den Rohrregistern in der Bodenplatte zu 

koppeln. So könnte die Wärmeabfuhr aus den Speichermassen der Ge- 

schossdecken simuliert werden. 

5.1.5 Klimadaten 

Die Anwendung IceWeather, die Bestandteil von IDA ist, soll in der Lage sein, 

entsprechende Dateien IDA-konform zu kompilieren. Beim Inhalt der Aus- 

gangsdateien handelt es sich um Wetterdaten der Testreferenzjahre. Die An- 

wendung unterstützt in der Version des Lieferumfangs aber nur die Dateifor- 

36


mate EC_TRY, SOLMET_TMY und SMHI_TY. Aus den TRY-Dateien des 

Deutschen Wetterdienstes konnten nicht die von IDA-ICE benötigten Datei- 

formate erzeugt werden. Mitarbeitern des Fachgebiets Technische Gebäude- 

ausrüstung ist es gelungen, das Programm so zu modifizieren, dass es in der 

Lage ist, die deutschen Wetterdaten zu verarbeiten. 

Das Gebiet der alten Bundesländer ist nach [7] in 12 Testreferenzjahr- 

Regionen eingeteilt. Zu jeder Region existiert eine Repräsentanzstation, deren 

Daten den charakteristischen Wetterverlauf für die entsprechende Region 

beinhalten. Über längere Zeiträume betrachtet, entsprechen die Mittelwerte 

den regionalen Klimamittelwerten [7]. Der Wetterverlauf wird in Stundenschrit- 

ten über ein Jahr beschrieben, so dass pro Datei 8760 Wetterdaten enthalten 

sind. Zusätzlich gibt es geographische Informationen zum jeweiligen Standort. 

Das ZUB befindet sich in Kassel. Die Stadt ist der Klimaregion 4 zugeordnet 

und damit müssen die Werte der TRY-Datei für den Standort Trier (Standort- 

Nr. 10609) zur Anwendung kommen [7]. 

37


5.2 Vorgehensweise bei der Simulation des ZUB 

Bisher gibt es im betreuenden Fachgebiet Bauphysik der Universität Gesamt- 

hochschule Kassel nur wenig Erfahrungen bei der Anwendung der hier einge- 

setzten Simulationssoftware IDA Indoor Climate and Energy. Die Herange- 

hensweise bei der Simulation des gesamten Gebäudes ist deshalb davon 

bestimmt, aus verschiedenen Strategien durch Ausprobieren die effektivste 

auszuwählen. Oberstes Ziel war es, dass gesamte Gebäude in der Simulation 

zu erfassen. Die Abbildung der realen Gegebenheiten sollte mit geringer De- 

tailtiefe erfolgen. 

Der ersten Ansatz war, das Gebäude so abzubilden, wie es existiert. Dazu 

sollte ein Raum so modelliert werden, dass dieser als Basis dienen konnte, 

um die anderen Räume durch Kopieren davon ableiten zu können. Die Basis- 

arbeit sollte darin bestehen, den Raum mit den Parametern einzugeben, die in 

den meisten Räumen vorhanden sind. 

Zu diesem Zeitpunkt wurde die Begrifflichkeit einer geringen Detailtiefe anders 

interpretiert als zu einem späteren Bearbeitungszeitpunkt. Es wurde davon 

ausgegangen, Regelstrategien nicht näher zu betrachten, weil sie Inhalt wei- 

terführender Aufgaben sein sollen. Auch anlagentechnische Details sollten 

vereinfacht oder idealisiert angenommen werden. Das Lüftungsschema war 

ebenfalls nicht zur genauen Modellierung vorgesehen. 

Als erstes wurden alle vorkommenden Bauteile und Materialien als IDA Res- 

source angelegt. Das hat den Vorteil, dass nötige Veränderungen später zent- 

ral an dieser Stelle durchgeführt werden können und sich diese dann auf alle 

Zonen auswirken, in denen die entsprechende Ressource verwendet wurde. 

Die U-Werte werden in der folgenden Tabelle so wiedergegeben, wie sie 

durch die Simulationssoftware ermittelt wurden. Ein Großteil der Material- 

kennwerte wurde wegen der möglichen Vergleichbarkeit der Ergebnisse in Anlehnung 

an [3] angesetzt. Für die Zusammensetzung der Bauteile wurde der 

ausgeführte Zustand zugrunde gelegt. Die Wärmeleitfähigkeit der Luftschicht 

in der Lehmwand ergibt sich aus der Zugrundelegung eines entsprechenden 

Wärmedurchlasswiderstandes von R=0,17 m²K/W [15]. 

38


Tabelle 8: Zusammenfassung der verwendeten Bauteile und Materialien 

Bauteil Material 

U-Wert 

[W/m²K] 

1 Bodenplatte 0,29 Zementestrich 

Dämmstoff 

Stahlbeton 

Gesamt 

2 Kellerwand 0,31 Stahlbeton 

Dämmstoff 

Gesamt 

3 Betonwand 3,77 Stahlbeton 

4 Betonwand, 

innengedämmt 

0,57 Stahlbeton 

Dämmstoff 

Gesamt 

5 KS Wand 11,5 2,99 Kalksandstein 

6 KS Wand 17,5 2,38 Kalksandstein 

7 Geschossdecke 1,17 Magnesitestrich 

Zementestrich 

Dämmung 

Stahlbeton 

Gesamt 

s 

[mm] 

50 

120 

400 

570 

400 

120 

520 

ρ 

[kg/m³] 

2000 

15 

2400 

2400 

15 

λ 

[W/mK] 

1,40 

0,04 

2,10 

2,10 

0,04 

200 2400 2,10 

200 

60 

260 

2400 

8 

2,10 

0,04 

115 1400 0,70 

175 1400 0,70 

20 

60 

20 

250 

350 

Fortsetzung auf der folgenden Seite 

2000 

2000 

15 

2400 

0,90 

1,40 

0,04 

2,10 

39


Bauteil Material 

U-Wert 

[W/m²K] 

8 Außenwand 0,13 Stahlbeton 

Dämmung 

Putz 

Gesamt 

9 Lehmwand 1,60 Massivlehm 

Luftschicht 

Massivlehm 

Gesamt 

10 Brandwand 1,57 Klinker 

11 HWS-Element 0,54 HWS-Platte 

Dämmstoff 

HWS-Platte 

Gesamt 

12 Dach 0,19 Stahlbeton 

13 Südfassade 0,80 

(mittel) 

14 Atrium 0,70 

Dämmstoff 

Gesamt 

s 

[mm] 

250 

300 

10 

560 

135 

365 

135 

635 

ρ 

[kg/m³] 

2400 

15 

1200 

1800 

1,2 

1800 

λ 

[W/mK] 

2,10 

0,04 

0,70 

0,95 

2,15 

0,95 

450 2000 0,96 

16 

60 

16 

92 

250 

200 

450 

700 

15 

700 

2400 

15 

3-Scheiben-Wärmeschutzverglasung 

Ug=0,6 W/m²K, g = 0,42 

Uf=1,4 W/m²K, Rahmenanteil = 25,5% 

3-Scheiben-Wärmeschutzverglasung 

Ug=0,6 W/m²K, g = 0,42 

Uf=1,1 W/m²K, Rahmenanteil = 10% 

(ohne Rauchabzüge, Ug=1,0 W/m²K) 

0,17 

0,04 

0,17 

2,10 

0,04 

40


Von Anfang an wurde das mathematische Modell nach einer überschaubaren 

Menge von Eingaben erstellt. Dadurch können Fehler frühzeitig erkannt und 

behoben werden. Die erfolgreiche Fehleranalyse bei der Erzeugung des ma- 

thematischen Modells ist aber kein Garant dafür, dass auch eine Simulation 

durchführbar ist. Aus diesem Grund sollte nach erfolgreicher Modellbildung 

auch eine Simulation des Modells erfolgen. Dazu ist es ausreichend, einfache 

Vorgaben für die Randbedingungen der Simulation vorzugeben, um die Über- 

nahme und Verarbeitbarkeit der Eingabeparameter zu prüfen. Sollten dabei 

Fehler auftreten, ist es meist schwierig deren Ausgangspunkt eindeutig zu lo- 

kalisieren. Es ist klar, dass die Chance sinkt, die entsprechende Eingabe an- 

zupassen, je komplexer das Modell und je größer die Menge der Eingabewer- 

te ist. 

Der gedankliche Einstieg erfolgte über einen inhaltlichen Hauptbestandteil des 

Realobjektes. Es wurde versucht, die thermoaktiven Decken für einen Raum 

abzubilden und mit der Anlagentechnik zu koppeln. Dieser Raum mit einem 

dann funktionstüchtigen Heizprinzip sollte durch Anpassungen bezüglich Ge- 

ometrie, Lage und enthaltenen Bauteilen als Kopiervorlage für alle anderen 

Räume dienen. Es hat sich aber herausgestellt, dass diese Vorgehensweise 

mit Blick auf das Hauptziel nicht die richtige Strategie sein kann. Zwar besteht 

programmseitig die Möglichkeit eine Flächenheizung einzufügen, die Modellierung 

einer zweiten Lage von Rohren in der Decke, wie im ZUB umgesetzt, er- 

fordert aber ein Arbeiten im ‚Advanced Level’. Die in dieser Bearbeitungsebe- 

ne gemachten Eingaben verändern direkt das mathematische Modell. Damit 

ist keine programmabhängige Überprüfung der Korrektheit der Eingaben mög- 

lich. Würde man erneut ein Modell erzeugen lassen, würde dieses aus den 

Eingaben des ‚Standard Levels’ entwickelt, was die eigenhändigen Verände- 

rungen am Modell überschreiben würde. Es kommt bezüglich der Fehleranfäl- 

ligkeit dieser Vorgehensweise dazu, dass notwenige Kopien zur Vervielfälti- 

gung der Zonen ebenfalls im ‚Advanced Level’ ausgeführt werden müssten. 

Erst bei der Simulation käme es zu einer Fehlermeldung, die aber wie zuvor 

beschrieben, nicht immer einen direkten Rückschluss auf die Fehlerquelle zu- 

lässt. 

Auf Grund der beschriebenen Schwierigkeiten wurde für das weitere Vorgehen 

und die Zielerreichung eine neue Strategie erarbeitet. Die Untersuchun- 

gen zum Energiebedarf in Verbindung mit den thermoaktiven Decken müssen 

in den Heiz- und Kühlfall getrennt werden. Dabei wird immer nur eine Rohrla- 

ge modelliert. Das bedeutet, dass in einem ersten Schritt versucht wird, das 

ZUB möglichst in seiner Gesamtheit mit einer Fußbodenheizung in den ent- 

sprechenden Räumen abzubilden, um den zugehörigen Heizwärmebedarf zu 

41


ermitteln. Wenn es möglich ist, den Bodenplattenkühler zu modellieren, kann 

das sommerliche Verhalten nachgestellt werden. 

Es hat sich im Laufe der Bearbeitung herausgestellt, dass die Modellierung 

des Bodenplattenkühlers im Rahmen dieser Arbeit mit Blick auf die Zielset- 

zung nicht umgesetzt werden konnte. Es musste eine Alternative gewählt 

werden, die in Kapitel 6.1.2 beschrieben wird. 

Der Begriff der geringen Detaillierung bekommt zunehmend eine veränderte 

Bedeutung. Die geringere Detailtiefe muss sich auf eine verringerte Anzahl 

von Zonen beziehen. Das heißt, dass nicht mehr davon ausgegangen wird, al- 

le Räume zu modellieren, sondern diese zu Zonen zusammenzufassen, wie 

es in Kapitel 5.1.1 erläutert ist. Beispielsweise werden auch nicht alle Innentü- 

ren erfasst, da diese eher für Untersuchungen zur Bewertung des Luftstroms 

von Interesse sind. Das Übergehen der Wandöffnungen bedeutet einen Zu- 

gewinn an internen Massen der Lehmwand. Dieser Fehler kann aber als ge- 

ringfügig eingestuft werden, zumal die Lehmwandstummel im Experimentalbe- 

reich und in den westlich gelegenen Büros vernachlässigt wurden. 

42

6 Ergebnisse der Simulation 


Um sich auf die angestrebten Endergebnisse einer Jahressimulation verlassen 

zu können, müssen die Eingaben und die getroffenen Annahmen auf ihre 

Plausibilität hin überprüft werden. Auf Grund der gegenseitigen Abhängigkei- 

ten verschiedener Größen, wie z.B. mechanischer Luftwechsel und Tempera- 

tur in den Zonen im Zusammenhang mit dem Energieverbrauch für die Lüfter, 

ist die Plausibilitätsprüfung sehr aufwendig. Nur so ist es aber möglich, die 

gegenseitige Beeinflussung der Zonen und die Annäherung des Modells an 

die Realität abzuschätzen. 

6.1 Plausibilitätsprüfung 

6.1.1 Lüftungsschema 

Das eingegebene Modell musste gerade in Bezug auf die spezifischen Ver- 

hältnisse im ZUB untersucht werden. Besondere Aufmerksamkeit galt dabei 

den geplanten Lüftungsvarianten und deren realitätsnaher Umsetzung im Mo- 

dell. Als lüftungstechnische Variante zur Überprüfung wurde ein Schema he- 

rangezogen, bei dem die Zuluft nur im Kellergeschoss ins Atrium eingebracht 

wird. Von dort verteilt sich die Luft durch Überströmöffnungen in der Lehm- 

wand frei in die Büros und die Experimentalbereiche. Dort wird die Abluft me- 

chanisch abgeführt. Diese Variante ist für den Heizbetrieb vorgesehen. Um 

aber die Auswirkungen auf die Temperaturen deutlicher zu erkennen, wurde 

ein Sommermonat betrachtet. Für eine Jahressimulation muss im Sinne einer 

geringen Detailtiefe ohnehin ein Lüftungsprinzip für das ganze Jahr gewählt 

werden. 

Für das Modell bedeutet die Abbildung dieses Lüftungsschemas, dass in der 

Zone KG 1 nur Zuluftbetrieb gefahren wird, in den Atriumzonen keine mecha- 

nische Be- oder Entlüftung erfolgt und in den restlichen Zonen nur der Abluft- 

betrieb aktiviert ist. Die Zonen müssen miteinander verbunden sein. Diese 

notwendige Verbindung wird im Modell durch Leckagen abgebildet. In den 

Decken der Atriumzonen stellen sie die vertikalen Verbindungen dar und in 

der Wand zwischen Atrium und den angrenzenden Zonen bilden die Leckagen 

die Überströmöffnungen ab. Es musste geklärt werden, ob die Modellierung 

der Verbindung zwischen den Zonen auf diese Weise möglich ist. 

Anfänglich war die Menge der sich beeinflussenden Parameter kaum ab- 

schätzbar. Es wurde davon ausgegangen, die Beeinflussung der Zonen an- 

43


hand der Temperaturveränderungen in den Zonen überprüfen zu können, 

wenn die Leckagen vorhanden sind oder nicht. 

Erwartung: Wenn die Leckage in der Decke zwischen KG1 und EG4 entfernt 

wird und somit keine Zuluftversorgung der darüber liegenden 

Atriumzonen mehr erfolgt, müsste der Temperaturabfall um 8.00 

Uhr, wenn die Lüftungsanlage in Betrieb genommen wird, wegfallen. 

Ergebnis: Es gab keinerlei Veränderungen des Temperaturverlaufs im EG4 

oder den Zonen darüber. 

Erklärung: Möglicherweise ist die Modellierung der Öffnungen über die Le- 

ckagen in dieser Form nicht möglich oder der Temperaturabfall 

liegt anderweitig begründet (eventuell durch den Abluftbetrieb) 

und kann zur Plausibilitätsprüfung nicht allein herangezogen 

werden. 

Auf Grund dieser Feststellung und den daraus abgeleiteten Vermutungen, 

wurden die Ergebnisse bezüglich des Luftvolumenstroms mit in die Betrach- 

tungen einbezogen, um die Wirksamkeit der Leckagen im Modell zu testen. 

Das bedeutete aber noch einmal eine Zunahme an Komplexität der Überle- 

gungen, denn für die Zonen gibt es mehrere Luftvolumenströme, die sich teil- 

weise gegenseitig beeinflussen. Es handelt sich dabei um folgende Größen: 

• Luftvolumenstrom in die Zone hinein (inflow) oder aus der Zone heraus 

(outflow) durch die Außenwände 

• Luftvolumenstrom in die Zone hinein (inflow) oder aus der Zone heraus 

(outflow) durch die Innenwände 

• Mechanischer Zu- und Abluftvolumenstrom 

Die Leckagefläche in den Außenwänden ist eine weitere Größe, von der diese 

Werte abhängen. Diese muss programmbedingt einen Wert größer Null ha- 

ben. Setzt man diesen Parameter sehr klein an, findet praktisch kein Luftvo- 

lumenstrom über die Außenwände statt. 

Beispielsweise wurde bei einer der vielen Variationen der Wert für die Lecka- 

genfläche in den Außenwänden mit 1*10 -6 m² sehr klein gewählt. In KG2 gibt 

es nur einen mechanischen Abluftbetrieb (die Zuordnung der Zonen ist ersichtlich 

in Kapitel 5.1.1 ab Seite 27). Gleichzeitig war die Zone, über die Zu- 

luft eingebracht wird (KG1) nur mit Zone KG2 verbunden. Folgerichtig konnte 

nur soviel Luft in KG2 eingebracht werden, wie über die Abluftanlage abge- 

führt werden kann. Das war auch das Ergebnis der Simulation. Etwa 34 l/s 

konnte die Abluftanlage entziehen, was einen Durchschnittswert für eine Wo- 

44


che darstellt und aus einer Luftwechselrate von 0,5 während der Nutzungs- 

phase hervorgeht. Die Luft, die über Innenwände nach KG2 einströmt, ent- 

spricht etwa diesem Wert. Die einzige Verbindung besteht zu KG1, aus der 

eben diese 34 l/s über die Innenwände ausströmen. Zudem konnte festgestellt 

werden, dass der in Bezug auf den Zuluftvolumenstrom von 553 l/s verblei- 

bende große Rest von 529 l/s über die Außenwände abgeführt wird. 

Setzt man nun auch für die Zone KG1 die Leckagenfläche der Außenwände 

sehr klein an, wird der mechanisch aufgezwungene Luftvolumenstrom auf die 

beiden miteinander verbundenen Zonen fast gleichmäßig verteilt. Das bedeu- 

tet, dass fast gleiche Luftvolumenströme über die Außenwände von KG1 und 

über die Innenwände nach KG2 und dann dort über die Außenwände trans- 

portiert werden. 

Infolgedessen werden auch die Temperaturen, vor allem in KG2, beeinflusst. 

Durch den vergleichsweise großen Luftvolumenstrom aus KG1 sind die 

Raumlufttemperaturen geringer und auch die Temperatursenkung mit der Ak- 

tivierung der Lüftungsanlage fällt deutlich größer aus. 

Im Laufe der Untersuchungen hat sich eine mögliche Erklärung bestätigt und 

unterstreicht ebenfalls die Richtigkeit der Annahme, dass die Wirkungsweise 

von Öffnungen über Leckagen modelliert werden kann. Für eine Atriumzone 

wurden alle Leckagen zu anderen Zonen entfernt. Dadurch ging folgerichtig 

der Einfluss der mechanischen Entlüftung der benachbarten Zonen verloren 

und es gab kein Absinken der Temperaturen in der Atriumzone, wenn die Ab- 

luftanlage aktiviert wurde. 

Aus diesen Erkenntnissen lässt sich ableiten, dass die gesamtenergetischen 

Größen von Parameterfestlegungen, die an speziellen Stellen gemacht wer- 

den, unabhängig sind. Gemeint ist damit, dass der Gesamtenergieverbrauch 

nicht davon beeinflusst wird, wie die Modellierung an speziellen Stellen umge- 

setzt wird. Die Modellierung muss aber die Zusammenhänge und Abhängig- 

keiten richtig wiedergeben. Es ist dabei wichtig, im möglichen Rahmen der 

Abstraktion die geplanten oder wie in Bezug auf das ZUB die vorhandenen 

Bedingungen in ausreichender Annäherung wiederzugeben. Umfangreiche 

Untersuchungen zu speziellen Einflussgrößen hinsichtlich der Plausibilität der 

Ergebnisse zeigen deren realistische Umsetzung und führen zu einem fundierten 

Gesamtergebnis. 

Letztendlich hat sich auch herausgestellt, dass es für die Abbildung der Öff- 

nungen in den Decken gar keine andere Möglichkeit gibt, als diese über Le- 

ckagen zu modellieren. Die Variante, eine ständig geöffnete Tür zu wählen, 

45


wird vom Programm für Decken nicht unterstützt. Die Plausibilitätsuntersu- 

chungen haben so die einzig mögliche Umsetzung legitimiert. 

6.1.2 Bodenplattenkühlung 

Die vorhandene Situation der Bodenplattenrückkühlung mittels Erdkollektor 

konnte im Rahmen dieser Aufgabe nicht direkt modelliert werden. Aus diesem 

Grund wurde eine grobe Annäherung an die realen Umstände gewählt, um die 

möglichen Energieeinsparungen im Vergleich zu einer Kühlanlage abschätzen 

zu können. 

Die Annahme, die im Hinblick auf die mögliche Kühlleistung der Bodenplatte 

getroffen wurde, war, die abgeschätzte Kühlleistung aus den Untersuchungen 

in [3] zu Grunde zu legen. Es wurden idealisierte Bedingungen für das Kälte- 

reservoir des Erdspeichers angenommen. Mit der Annahme, dass die Erd- 

reichtemperatur 1 m unter der Bodenplatte konstant 10 °C beträgt und auch in 

der Kühlperiode nicht mit einer Erwärmung des Erdspeichers zu rechen ist, 

wurde eine Dauerleistung für die Kühlung von 8,2 W/m² für die Kühldecken 

angesetzt. Daraus wurde über die zu kühlenden Flächen der Geschossdecken 

eine Maximalleistung für die Kältemaschine ermittelt, die der Leistung des Bo- 

denplattenkühlers entsprechen soll. Diese wurde zu 6665 W bestimmt. Durch 

die Leistungsbegrenzung kann von der Kältemaschine nicht mehr Kühlenergie 

geliefert werden, was gleichzeitig bedeutet, dass der Energieverbrauch für die 

Kälteerzeugung dementsprechend begrenzt ist. 

Der so ermittelte Wert soll dahingehend bewertet werden, dass er der Ener- 

gieeinsparung entspricht, wenn man statt der künstlichen Kälteerzeugung die 

natürliche Rückkühlung des Erdreichs nutzen kann. 

Im Zusammenhang mit der Frage, wie die so angenommenen Randbedingun- 

gen umsetzbar sind, wurde am Beispiel einer Zone ein Deckenkühlsystem auf 

Plausibilität und realitätsnahe Umsetzung geprüft. In IDA ICE besteht die Mög- 

lichkeit, Kühlgeräte als Objekte der Decken zu definieren. Diese symbolisieren 

dann die Rohrlage in den Geschossdecken. Sie sind mit dem Kälteerzeuger 

verbunden, der als Adäquat zur Bodenplatte dient. 

Die Kühlgeräte werden über verschiedene Parameter, wie die maximale Kühl- 

leistung, die Temperaturdifferenz zwischen Kühlmittel und Luft sowie neben 

weiteren Parametern auch über die flächenmäßige Größe des Geräts defi- 

niert. Die folgenden Bilder zeigen die Temperaturverläufe für zwei unter- 

schiedlich große Kühlgeräte. Einem Kühlegerät wurde eine Fläche von 1 m² 

zugewiesen (klein) während sich das andere auf fast die gesamte Deckenflä- 

che erstreckt (groß). Am deutlichsten erkennt man aus der grünen Kurve ‚t in’ 

(Vorlauftemperatur) die vorgegebene Leistungsbegrenzung. Die Vorlauftem- 

46


peratur des Wassers, die von der Kältemaschine zur Verfügung gestellt wird, 

beträgt für den gewählten Testfall 18 °C. Man erkennt deutlich, dass diese 

Temperatur nicht dauerhaft vom Kälteerzeuger bereitgestellt werden kann. 

Das ist dann der Fall, wenn die Raumtemperaturen ansteigen. Das heißt, dass 

die Rücklauftemperaturen so hoch sind, dass der Kälteerzeuger mit seiner im 

Testfall begrenzten Leistung von 200 W nicht mehr in der Lage ist, das Wasser 

auf die geforderte Temperatur von 18 °C zu kühlen. 

30.0 

29.0 

28.0 

27.0 

26.0 

25.0 

24.0 

23.0 

22.0 

21.0 

20.0 

19.0 

18.0 

Week: from 2001-07-16 to 2001-07-22 

Mon Tue Wed Thu Fri Sat Sun 

t liqu, Deg-C 

t in, Deg-C 

t air, Deg-C 

t out, Deg-C 

t surf, Deg-C 

Bild 13: Temperaturverläufe für eine max. Kühlleistung von 200 W und großer Fläche 

Wird nun die zentrale Kühlleistung vergleichsweise hoch angesetzt, ist dieser 

Effekt nicht mehr erkennbar. Die Vorlauftemperatur hält sich auf dem konstan- 

ten Wert von 18 °C. Dieses Verhalten liegt darin begründet, dass immer ge- 

nug Leistung vorhanden ist, um die erhöhten Rücklauftemperaturen zu kom- 

pensieren. Es wird aber auch deutlich, dass die Raumtemperaturen davon 

unbeeinflusst sind. Der Grund dafür liegt in der ebenfalls begrenzten Kühlleis- 

tung der lokalen Kühlgeräte, die auf die Zonengröße bezogen ist. 

Eine weitere beeinflussende Größe ist die geometrische Fläche des modellier- 

ten Kühlgeräts. Diese hat vor allem Einfluss auf den Strahlungsaustausch des 

Kühlgeräts mit den übrigen Flächen. Für den Fall einer kleinen Fläche geht 

nur ein geringer Teil der Kühlleistung als Strahlungsanteil zu den Umfassungswänden 

(einschließlich Boden). Der Großteil wird konvektiv an die 

47


Raumluft abgegeben, was sich auch an den etwas geringeren Lufttemperatu- 

ren zeigt. Das folgende Bild veranschaulicht diese Feststellungen. 

29.0 

28.0 

27.0 

26.0 

25.0 

24.0 

23.0 

22.0 

21.0 

20.0 

19.0 

18.0 

Week: from 2001-07-16 to 2001-07-22 

Mon Tue Wed Thu Fri Sat Sun 

t liqu, Deg-C 

t in, Deg-C 

t air, Deg-C 

t out, Deg-C 

t surf, Deg-C 

Bild 14: Temperaturverläufe für eine max. Kühlleistung von 200 W und kleiner Fläche 

Es bleibt als Ergebnis aus diesen Vergleichen festzustellen, dass die Variante 

mit einer großen Paneelfläche und begrenzter Gesamt- wie auch Lokalleistung 

die realistischeren Ergebnisse liefert. Die Ergebnisse bilden in grober 

Annäherung ein träges Verhalten des Systems ab. Das entspricht dem Verhal- 

ten der thermoaktiven Decken in Kombination mit der Bodenplatte als 

Rückkühler. 

6.1.3 Verschattung durch umgebende Objekte 

Es wurden die südlich und westlich gelegenen Gebäude mit in das Modell 

aufgenommen. Vereinfachend wurden nur die jeweiligen Firstlinien einbezo- 

gen, was für die Verschattung des ZUB die notwendigen Kriterien liefert. Der 

First des im Süden gelegenen Gebäudes ist etwa 20 m entfernt und hat eine 

Höhe von 13,50 m. Das westlich gelegene Gebäude befindet sich mit seiner 

Firstlinie in etwa 25 m Entfernung und ist etwa 19 m hoch. Weder bei den 

Temperaturen in den Südzonen noch beim Energiebedarf für die Kühlung 

konnten Veränderungen auf Grund der Verschattung festgestellt werden. Die 

48


Untersuchungen für den Sommerfall haben damit ergeben, dass die Gebäude 

in der Umgebung die thermischen Bedingungen im ZUB nicht beeinflussen. 

6.2 Ergebnisfindung im Zusammenhang mit der Verwendung 

einer Beta-Testversion 

Wie bereits zu Beginn der Ausarbeitung erwähnt wurde, ist zur Simulation des 

ZUB eine Software eingesetzt worden, die als Beta-Testversion verfügbar ist. 

Es ist wichtig, diesen Umstand zu erwähnen, weil die Ergebnisfindung davon 

stark beeinflusst wurde und teilweise erheblichen Beschränkungen unterlag. 

Um die modellierten Systeme auf Lauffähigkeit zu testen, wurden jeweils aus- 

gewählte Sommer- oder Wintermonate simuliert. Bei erfolgreichen Probeläu- 

fen sollten die Modelle für einen Zeitraum von einem Jahr simuliert werden. 

Dabei wurde festgestellt, dass die Lauffähigkeit über relativ kurze Zeiträume 

(z.B. ein Monat) kein Garant für eine erfolgreiche Jahressimulation ist. 

Die große Schwierigkeit bestand darin, von der Grundvariante ausgehend Pa- 

rametervariationen umzusetzen, die vergleichbare Ergebnisse für eine Simula- 

tionsperiode von einem Jahr liefern. Es traten dabei wiederholt Fehler wäh- 

rend der Simulation auf, für die es anwenderseitig keine Möglichkeit der 

Vermeidung gibt. Diese Feststellung musste nach regem Informationsaus- 

tausch mit den Programmentwicklern der Softwarefirma gemacht und so ak- 

zeptiert werden. Es kam im Zuge sehr vieler Simulationsläufe wiederholt zum 

Auftreten numerischer Probleme, die zum Abbruch der Berechnungen führten. 

Dieser Umstand ist nach Auskunft der Entwickler bekannt, aber nicht dahin- 

gehend eingrenzbar, dass der Anwender die Möglichkeit hat, durch die An- 

passung einer Randbedingung einen kompletten Simulationslauf zu gewähr- 

leisten. Die Variationen sind extrem vielfältig und der Zeitpunkt, an dem der 

Fehler auftritt, ist nicht vorhersehbar. Bei einem zeitlichen Aufwand von einer 

Stunde pro Jahressimulation war es teilweise sehr zeitaufwändig, eine Einstel- 

lung zu finden, die zu einer lauffähigen Version führt. 

Das bedeutet für die Ergebnisfindung dieser Arbeit, dass bewusst Modelle er- 

stellt wurden, die das reale Objekt nicht korrekt abbilden. Zwischenzeitlich war 

es aber nur auf diese Weise möglich, überhaupt Ergebnisse zu erhalten. Mit 

diesen Ergebnissen sollte zumindest ein relativer Vergleich gewährleistet wer- 

den. 

Eine entscheidende Randbedingung in diesem Zusammenhang ist die Abbildung 

der Kellerwände als Wände gegen das Erdreich. In der verwendeten 

Version 3.0b von IDA ICE besteht die Möglichkeit, Wände mit einem Erdmo- 

dell zu verknüpfen. Für die unter 6.3.2 beschriebene Grundvariante war eine 

49


Simulation des Modells möglich, bei dem die Wände mit dem Erdreich ver- 

bunden sind. Ebenso gelang eine Jahressimulation für die Variante 1 mit ver- 

schlechterten Dämmeigenschaften für Außenwände und Fenster. Für die Va- 

riation der Luftwechselraten mit 0,3 und 0,8 schlugen die Simulationsversuche 

jeweils wegen numerischer Probleme fehl. Erst gegen Ende des Bearbei- 

tungszeitraums der Diplomarbeit gelang es nach einer Vielzahl von Versuchen, 

für diese Parametervariationen Ergebnisse zu erhalten, denen ein rea- 

listisches Modell zu Grunde liegt. 

6.3 Simulationsvarianten und zugehörige Ergebnisse 

Das Hauptanliegen der durchgeführten Untersuchungen ist es, Erkenntnisse 

über den jährlichen Energieverbrauch des Gebäudes zu erhalten. Dabei soll 

auch die Verteilung der Verluste und Gewinne in die Betrachtung einbezogen 

werden. Es lassen sich aus den Jahressimulationen ebenfalls Aussagen über 

den Bedarf für Kunstlicht und die Geräteausstattung ableiten. 

Die internen Gewinne aus Kunstlicht, Geräteausstattung und Nutzern sowie 

die passiven Solarenergiegewinne beeinflussen den Gesamtenergiebedarf 

des Gebäudes in zweierlei Hinsicht. Zum einen reduzieren sie den Heizwär- 

mebedarf für die Wintermonate. Zum anderen führen gerade im Sommer die 

internen Lasten in Kombination mit dem in dieser Periode hohen Solarener- 

gieeintrag zu einem gesteigerten Kühlenergiebedarf. 

Eine Randbedingung für die vom System bereitzustellenden Leistungen be- 

züglich Heizen und Kühlen sind die festgelegten Eckdaten für die Temperatu- 

ren in den Räumen. Dabei wurden die Grenzwerte wie folgt angenommen: 

• untere Temperaturgrenze 21 °C 

• obere Temperaturgrenze 25 °C 

Die untere Temperaturgrenze legt die Bedingungen für den Heizfall fest, während 

die obere Temperaturgrenze als Marke zur Aktivierung der Kühlung ge- 

sehen werden kann. Durch die Begrenzung der Kühlleistung der Kältemaschi- 

ne kann die Reduzierung der Raumtemperaturen aber nur bedingt erwartet 

werden. Entscheidend ist in diesem Zusammenhang die jährlich verfügbare 

Kälteleistung, weil dadurch die mögliche Ersparnis durch den Einsatz der Bo- 

denplattenkühlung abgeschätzt werden soll. 

50


Tabelle 9: Für die Jahressimulationen verwendete Modellvarianten 

Grundvariante Umsetzung des ausgeführten Zustands des Gebäudes mit 

einer Luftwechselrate von 0,5 h -1 

Variante 1 Außenwände mit nur 10 cm Dämmung und 2-Scheiben- 

Wärmeschutzverglasung, n=0,5 h -1 

Variante 2 Grundvariante mit erhöhtem Luftwechsel von 0,8 h -1 

Variante 3 Grundvariante mit verringertem Luftwechsel von 0,3 h -1 

Variante 4 Grundvariante mit umgekehrtem Lüftungsprinzip, n=0,5 h -1 

6.3.1 Erläuterungen zu den Ergebnissen 

Übergeordnet wird bei den Betrachtungen zum gesamtenergetischen Verhal- 

ten des Gebäudes nach zwei Verbrauchsarten unterschieden. Zum einen wird 

der Verbrauch an elektrischer Energie erfasst. Dabei erfolgt eine getrennte 

Betrachtung für die zentralen Verbraucher, wie die Kältemaschine, die Lüfter 

und die Pumpen. Unter den lokalen Verbrauchern findet sich der Energiebe- 

darf für das Kunstlicht und die Geräteausstattung wieder. Zum anderen enthält 

die gesamtenergetische Auswertung den Verbrauch für die Beheizung des 

Gebäudes, die im speziellen Fall des ZUB über eine Fernwärmeversorgung 

sichergestellt wird. 

Die Ausgabe der Energiebilanzen für die einzelnen Zonen hat eine so große 

Datenmenge zur Folge, dass programmseitig keine Ausgabe der Ergebnisse 

möglich war. Eine Betrachtung einzelner Zonen ist auch nicht Inhalt dieser Ar- 

beit. Um dennoch einen gewissen Bezug zu den zonalen Vorgängen zu ha- 

ben, werden für bestimmte Zonen die Temperaturverläufe über ein Jahr aus- 

gegeben und gegebenenfalls in die Untersuchungen einbezogen. 

6.3.2 Beschreibung der Grundvariante 

Den vergleichenden Untersuchungen liegt eine Variante des modellierten Ge- 

bäudes zu Grunde. Diese ist aus den Plausibilitätsuntersuchungen abgeleitet 

worden und enthält folgende grundlegende Bedingungen. 

• Die baulichen Gegebenheiten wurden so modelliert, wie sie ausgeführt 

worden sind. Das bezieht sich auf die Wand- und Deckenkonstruktio- 

nen sowie auf die Fenster und auf die Verglasung des Atriums. 

• Es sind grundsätzlich keine geöffneten Fenster umgesetzt, da sich das 

Nutzerverhalten wie auch der sich daraus ergebende Luftvolumen- 

51


strom nicht genau quantifizieren lassen. Für die Fenster wurde eine 

externe Verschattung mit einem Verschattungsfaktor z = 0,5 modelliert. 

• Die einzelnen Räume sind, wie in 5.1.1 bereits ausgeführt, zu größe- 

ren Zonen vereinfacht worden. Dabei wurden die Räume nicht nur ge- 

ometrisch zusammengefasst, sondern auch die Ausstattung und die 

Beleuchtung wurden summarisch pro Zone erfasst. Die so vernachlässigten 

Wände zwischen den Büros wurden als interne Massen berück- 

sichtigt. 

• Als Lüftungsvariante wurde der Abluftbetrieb über die Büro- und Expe- 

rimentalbereiche gewählt. Nur im Kellergeschoss (KG 1) wird Frischluft 

zugeführt, die sich dann frei über das Atrium und die Überströmöffnun- 

gen in die Büros bewegen kann. Im Atrium erfolgt nur eine freie Luft- 

bewegung, da hier kein Zu- oder Abluftbetrieb modelliert wurde. Die 

einzige Zone mit mechanischem Zu- und Abluftbetrieb ist der als EG 2 

modellierte Hörsaal im Erdgeschoss. In allen entsprechenden Zonen 

ist ein Luftwechsel von 0,5 h -1 angesetzt. In Kombination mit den ge- 

schlossenen Fenstern erfolgt die Lüftung im Modell ausschließlich me- 

chanisch, wodurch die Eingangswerte bestimmt werden können und 

quantifizierbare Größen als Ergebnis darstellbar sind. 

• Für die Heizkurve wurden die Annahmen aus [13] zu Grunde gelegt. 

Es wird eine außentemperaturabhängige Heizkurve abgebildet, die aus 

den Heizkurven für ein Standardbüro mit 26 m² und für ein Eckbüro mit 

32 m² abgeleitet wurde. Die gewählten Vorlauftemperaturen betragen 

28 °C bei –12 °C Außentemperatur und 22 °C bei +12 °C Außentem- 

peratur. 

Aus dieser Grundvariante sollen andere Modelle abgeleitet werden. Für die 

gesamtenergetischen Untersuchungen werden nur Variationen bezüglich der 

Luftwechselraten und Veränderungen der Gebäudehülle bzw. der Verglasung 

betrachtet. Es sollte nur ein Parameter verändert werden, um mögliche Aus- 

wirkungen deutlich zuordnen zu können. 

6.3.3 Ergebnisse aus der Simulation der Grundvariante 

Mit den Ergebnissen aus der Simulation des Grundmodells werden erste Größenordnungen 

festgehalten, die als Basis für den Vergleich mit den Ergebnis- 

sen der variierten Modelle dienen sollen. Des weiteren kann ein Vergleich mit 

den Ergebnissen einer anderen Simulationsrechnung durchgeführt werden, 

sofern die Ausgabewerte dieses zulassen. 

52


Es erscheint sinnvoll, sich auf gesamtenergetische Betrachtungen zu be- 

schränken. Dabei sind zum einen die verbrauchten Mengen an Energie von 

Interesse, die sich im Wesentlichen auf die elektrischen Verbraucher und den 

Heizwärmebedarf aufteilen. Zum anderen können die Verluste betrachtet wer- 

den. Energie, die über Wände (inklusive Dach und Bodenplatte), Fenster, Lüf- 

tung und Infiltration entweicht, wird in diesen Ergebnissen erfasst. 

Anteilige Verbräuche - Grundvariante 

24% 

42% 

34% 

Elektrizität - zentrale 

Verbraucher 

Elektrizität - lokale 

Verbraucher 

Wärmeverbrauch 

Bild 15: Prozentuale Aufteilung nach Verbrauchsarten 

In entsprechenden Mengen ausgedrückt, bedeutet das einen Energie- 

verbrauch an elektrischer Energie von ca. 58.000 kWh/a und einen Verbrauch 

an Heizenergie von etwa 18.000 kWh/a. Daraus lässt sich ableiten, dass der 

Wärmebedarf nur knapp ein Drittel des Bedarfs an elektrischer Energie aus- 

macht. 

In diesem Zusammenhang muss erneut auf die Modellierung der Sohlplatten- 

rückkühlung eingegangen werden. Da die direkte Umsetzung nicht möglich 

war, wurde ein Kälteerzeuger mit begrenzter Leistung in das Modell integriert. 

Wie das nächste Bild zeigt, hat dieser einen bedeutenden Anteil am Energie- 

verbrauch der elektrischen Abnehmer. 

34% 

Anteilige Verbräuche an elektrischer 

Energie 

21% 

2% 

43% 

Kühlung 

Bürogeräte 

Kunstlicht 

Lüfter 

Bild 16: Prozentuale Verteilung bezüglich elektrischer Verbraucher 

53


Die Menge an elektrischer Energie, die für die Kühlung des Gebäudes ver- 

braucht wurde, beträgt etwa 25.000 kWh/a. Das Ergebnis ist jedoch als eine 

grob vereinfachte Näherung zu bewerten, die aus der Leistungsbegrenzung 

für die Kältemaschine und die maximale Kühlleistung in den Zonen abgeleitet 

wurde. Grundlage für die Begrenzung war die Annahme, dass aus dem Erd- 

speicher eine Dauerleistung an Kühlenergie von 8,2 W/m² (bezogen auf die 

Fläche der Kühldecken) zur Verfügung steht [3]. Geht man jetzt von den rea- 

len Gegebenheiten aus, dass keine künstliche Kühlung eingesetzt wird, kann 

man schlussfolgern, dass eben die Menge von 25.000 kWh/a an elektrischer 

Energie eingespart wird. Neben der Energieersparnis bedeutet dies eine Kos- 

tenreduzierung von etwa 3200 DM/a (mit Tagstrompreis laut Sondervertrag 

GhK, nach [1]). Die Zahlen sind unter dem Vorbehalt zu bewerten, dass der 

Bodenplattenkühler die entsprechende Dauerleistung erbringen kann. 

59% 

4% 

Ohne Kühlung 

37% 

Bürogeräte 

Kunstlicht 

Lüfter 

Bild 17: Verteilung am elektrischen Energieverbrauch bei Vernachlässigung der Kühlung 

Ohne den Einsatz elektrischer Energie für den Betrieb eines Kälteerzeugers 

stellt sich auch die Verteilung des Stromverbrauchs anders dar (Bild 17). Mehr 

als die Hälfte der Elektrizität wird vom Kunstlicht beansprucht. Bei einer Grö- 

ßenordnung von etwa 19.000 kWh/a entspricht das einem finanziellen Auf- 

wand von ca. 2500 DM. 

In den Ausgaben finden sich auch die Anteile, die keine elektrische Energie 

verbrauchen. Neben der Heizenergie, die einen Anteil der Kostenverursa- 

chung ausmacht, sind die solaren Gewinne und die von den Nutzern produ- 

zierte Wärmemenge erfasst. Das folgende Bild zeigt den Jahresverbrauch für 

die verschiedenen Anteile. Sehr deutlich ist die große Menge solarer Erträge 

im Vergleich zur Wärmemenge für die Beheizung. Dabei ist zu beachten, dass 

etwa 75% der solaren Erträge in den Monaten April bis September gewonnen 

werden. Damit stehen sie nur bedingt zur Entlastung des Heizenergie- 

verbrauchs zur Verfügung. Andererseits müssen diese solaren Einträge in den 

Sommermonaten zum Einhalten angemessener klimatischer Bedingungen in 

54


den Räumen durch Kühlung oder Lüftung abgeführt werden. Das bedeutet 

wiederum einen gewissen Anstieg der entsprechenden Verbrauchsmengen in 

der Sommerperiode oder bei gleichen Leistungswerten eine Erhöhung der 

Temperaturen. 

9769 

76150 

Energiezufuhr [kWh/a] 

18154 

Bild 18: In das Gebäude eingebrachte Energie 

Heizung 

Solarer Eintrag 

Nutzer 

Das folgende Diagramm macht die Bilanzierung der Einträge und Verluste 

deutlich. Die Ergebnisse zeigen wie erwartet die summarische Übereinstim- 

mung der beiden Gruppen. Damit wird noch einmal die generelle Korrektheit 

der Modellbildung bestätigt. 

Bei den Verlusten wird deutlich, dass die Transmissionswärmeverluste durch 

die Fenster den Großteil ausmachen. Der Anteil beträgt 59% an den Gesamt- 

verlusten. Dieser Umstand ist nicht besonders verwunderlich, da der Fenster- 

flächenanteil knapp 30% der wärmetauschenden Hüllfläche beträgt [1]. Zudem 

ist der mittlere U-Wert (0,8 W/m²h) im Vergleich zu dem der Außenwände et- 

wa sieben mal so groß. 

Die Verluste aus Infiltration und Lüftung können zusammengefasst als eine 

Größe betrachtet werden. Programmseitig werden die Ergebnisse separiert, 

was in den vorliegenden Untersuchungen jedoch nicht von Bedeutung ist, da 

die Leckageflächen in den Außenwänden sehr klein angesetzt wurden. Da un- 

ter Infiltration auch die Verluste durch Leckagen in den Innenwänden erfasst 

werden, ist davon auszugehen, dass deren Größe hauptsächlich von den 

Luftwechseln in den Abluftzonen geprägt ist. Dort wird die mechanisch abge- 

saugte Luft über die Leckagen nachgeführt, was für die entsprechenden Zo- 

nen bedeutet, dass die Verluste unter Infiltration erfasst werden. Ausgenom- 

men vom folgenden Diagramm werden die Werte gemeinsam als 

Lüftungsverluste ausgewertet. 

55


100% 

90% 

80% 

70% 

60% 

50% 

40% 

30% 

20% 

10% 

0% 

Nutzer 

Nutz 

Solarer Eintrag 

Heizung 

Einträge Verluste 

Bild 19: Gegenüberstellung der Einträge und Verluste 

Infiltration 

Lüftung 

Transmission 

Fenster 

Transmission 

Wände 

Aus diesen Ergebnissen lässt sich die Frage ableiten, wie sich das energeti- 

sche Verhalten des Gebäudes verändert, wenn eine andere Verglasung und 

ein geringerer Dämmstandard gewählt werden. 

6.4 Variationen der Grundvariante 

Für die Untersuchung des gesamtenergetischen Verhaltens des Gebäudes 

werden Modelle herangezogen, die auf den Gegebenheiten der Grundvariante 

basieren. Eine zusammengefasste Darstellung der speziellen Anpassungen 

enthält Tabelle 9 auf Seite 51. Bauliche und lüftungstechnische Randbedin- 

gungen werden variiert. 

6.4.1 Variante 1 - mit verringerter Dämmstärke und 2-Scheiben-Verglasung 

Abgeleitet aus der Grundvariante (Kapitel 6.3.2, ab Seite 51) sollen die Er- 

gebnisse des folgenden Modells die Veränderungen verdeutlichen, die sich 

aus den baulichen Anpassungen ergeben. Die baulichen Anpassungen sind 

eine auf 10 cm verringerte Dämmstärke der Außenwände und die Verwen- 

dung einer 2-Scheiben-Wärmeschutzverglasung. 

Der U-Wert der Außenwände verschlechtert sich von 0,11 W/m²K auf etwa 

0,36 W/m²K. Die 2-Scheiben-Verglasung wird wie in [3] mit einem U-Wert für 

die Verglasung von 1,2 W/m²K angesetzt. Der Gesamtenergiedurchlassgrad 

hat einen Wert von 0,58. 

Für die so gewählte Kombination der veränderten Außenwandkonstruktion 

und der Verglasung wurde im Vorfeld der Wärmeschutznachweis nach der 

WSVO 95 geführt, um die Einhaltung der Vorgaben für das Gebäude zu über- 

56


prüfen. Zu Grunde gelegt wurden dabei die Berechnungen aus [1]. Mit den 

oben beschriebenen Modifikationen ergab sich ein auf das Gebäudevolumen 

bezogener Jahres-Heizwärmebedarf von 8,1 kWh/m³a. Damit wird der zuläs- 

sige Wert von 19,8 kWh/m³a deutlich unterschritten. Gegenüber der Grundva- 

riante ergibt sich jedoch eine Verschlechterung um 50%, wenn man sich auf 

deren Jahres-Heizwärmebedarf von 5,4 kWh/m³a bezieht. 

Mit dem statischen Verfahren der Wärmeschutzverordnung kann gezeigt wer- 

den, dass die gewählte Variation als sinnvoll angesehen werden kann, da die 

Anforderungen noch deutlich unterschritten werden. Das Ergebnis zeigt 

gleichzeitig, wie hoch die energetische Qualität des ausgeführten Gebäudes 

ist. 


Variante 1 

Mit den statischen Ansätzen des Wärmeschutznachweises lassen sich bereits 

erste Annahmen bezüglich des veränderten Wärmebedarfs ableiten. Interes- 

sant ist es, wie sich die veränderten Randbedingungen in der dynamischen 

Simulation auswirken. Wie bei den Ergebnissen der Grundvariante zu erken- 

nen ist, lassen sich aus der dynamisch thermischen Simulation mehr Aussagen 

als nur zum Heizwärmebedarf treffen und vergleichen. 

Aussagen über die Größe der Verluste und deren Verteilung auf die Art der 

Umfassungsflächen können vergleichend ausgewertet werden. Außerdem ist 

eine Quantifizierung der Energieeinträge möglich, woraus ein Vergleich der Bi- 

lanzen abgeleitet werden kann. Die lokalen elektrischen Verbraucher wie 

Kunstlicht und Bürogeräte brauchen nicht in den Vergleich einbezogen wer- 

den, da sich an deren Größenordnung nichts geändert hat. Stattdessen wird 

der Anteil der Kühlung am zentralen Verbrauch der elektrischen Energie in 

den Vergleich aufgenommen. 

57


Verbrauch [kWh/a] 

30000 

25000 

20000 

15000 

10000 

5000 

0 

Elektrizität 

zentral... 

...davon 

Kühlung 

18154 

27490 

Wärme 

Grundvariante 

Variante 1 

Bild 20: Vergleich von Grundvariante und Variante 1 bezüglich Elektrizität und Wärme 

Die Unterschiede bezüglich des Verbrauchs an elektrischer Energie sind mar- 

ginal. Dabei handelt es sich um eine Reduzierung beim Energiebedarf für die 

Kühlung bei Variante 1 um etwa 800 kWh/a. Demgegenüber erhöht sich der 

Wärmebedarf vergleichsweise deutlich. Mit einer Zunahme von etwa 9300 

kWh/a bei Variante 1 ist der Wärmebedarf in Bezug auf die Grundvariante um 

ca. 51% gestiegen. In diesem Ergebnis wird die Verminderung des Wärme- 

schutzes der Außenwände und der Fenster erkennbar. 

Verluste [kWh/a] 

120000 

100000 

80000 

60000 

40000 

20000 

0 

Wände Fenster Lüftung 

Bild 21: Energieverluste nach außen über die entsprechenden Wege 

Grundvariante 

Variante 1 

Das Diagramm in Bild 21 zeigt den überragenden Einfluss der Fensterflächen 

bei den Verlusten. Zusätzlich erkennt man den deutlichen Zuwachs der 

Transmission durch die Fenster zwischen Grundvariante und Variante 1. Bei 

der Simulation der Grundvariante gingen nur etwa 62.700 kWh/a an Energie 

durch die Fenster verloren. Das sind fast 40% weniger als bei Variante 1, wo 

101.600 kWh/a der Energie durch die Fenster entweichen. Dabei ist zu er- 

wähnen, dass auch im Sommer während der kühleren Nachtstunden ein E- 

58


nergieverlust stattfindet. Außerdem werden durch die veränderte Verglasung 

höhere Erträge in das Gebäude eingebracht. 

Bezüglich der Energiebilanz lässt sich aus Bild 22 ein deutlicher Vorteil der 

Verglasung der Grundvariante erkennen. Es handelt sich um eine 3-Scheiben- 

Wärmeschutzverglasung mit einem rechnerischen U-Wert der Verglasung von 

0,6 W/m²K. Durch die entsprechend verglasten Fenster gelangt deutlich mehr 

Energie in das Gebäude als verloren geht, wobei der gesamte Ertrag mit etwa 

76.000 kWh/a nur 75% dessen von Variante 1 beträgt. Diese Feststellung ist 

vor allem für die Sommermonate von Bedeutung, wenn die solaren Erträge 

möglichst klein sein sollten. Mit 13.500 kWh/a ist der Gewinn an Solarenergie 

bei den Fenstern der Grundvariante acht mal so groß wie bei der modellierten 

2-Scheiben-Wärmeschutzverglasung der Variante 1. 

[kWh/a] 

120000 

100000 

80000 

60000 

40000 

20000 

0 

Erträge Fenster Verluste Fenster 

Grundvariante 

Variante 1 

Bild 22: Erträge und Verluste durch die Fenster für Grundvariante und Variante 1 

Betrachtet man die Verluste über die einzelnen Monate, wird bei beiden Vari- 

anten deutlich, dass in den Wintermonaten die Verluste die Erträge teilweise 

deutlich übersteigen. Die Relationen sind dabei ähnlich, wobei der absolute 

Betrag der Differenz bei Variante 1 deutlich größer als bei der Grundvariante 

ist. Die Unterschiede zwischen den Verlusten der Varianten liegen im Bereich 

von 2000 bis 4000 kWh pro Monat. 

59


[kWh] 

18000 

16000 

14000 

12000 

10000 

8000 

6000 

4000 

2000 

0 

Januar 

Februar 

März 

April 

Mai 

Juni 

Juli 

August 

September 

Oktober 

November 

Dezember 

Erträge 

Verluste 

Bild 23: Gegenüberstellung der Erträge und Verluste durch die Fenster für Variante 1 

Die größeren absoluten Transmissionsverluste der Fenster bei Variante 1 be- 

einflussen in entscheidendem Maß den höheren Heizenergieverbrauch im 

Vergleich zur Grundvariante. Diese Aussage wird dadurch bekräftigt, dass die 

Verluste über die Wände sogar etwas geringer werden. Für das gesamte Jahr 

beträgt der Unterschied knapp 700 kWh (Bild 21). 

Bei der Lüftung sind ebenfalls kaum Veränderungen erkennbar. Die Reduzie- 

rung der Verluste über Wände und Lüftung begründet sich wahrscheinlich im 

sehr deutlichen Anstieg der Verluste über die Fenster. Aus den Ergebnissen 

der beiden Jahressimulationen lässt sich damit der entscheidende Einfluss der 

Verglasung am Heizenergieverbrauch ableiten. 

6.4.3 Variante 2 – Grundvariante mit einer Luftwechselrate von 0,8 h -1 

Als weitere Variationsmöglichkeit wurde eine veränderte Luftwechselrate von 

0,8 h -1 im Modell umgesetzt. Damit sollen die Auswirkungen einer Lüftungsan- 

lage auf die energetischen Verhältnisse im ZUB dargestellt werden. 

Es wurden keine weiteren Veränderungen am Modell der Grundvariante vor- 

genommen. Nur die Luftwechselraten in den Bürozonen und in den Experi- 

mentalbereichen wurden von 0,5 h -1 auf 0,8 h -1 erhöht. 

Im Ansatz kann davon ausgegangen werden, dass sich der Heizenergie- 

verbrauch erhöhen wird. Grund für die Annahme ist der Umstand, dass die 

mechanische Lüftungsanlage so modelliert ist, dass keine separate Erwär- 

mung der Zuluft erfolgt. Da pro Stunde eine größere Menge an Luft ausge- 

60


tauscht wird, muss auch ein größeres Luftvolumen durch die Zuführung von 

Heizenergie erwärmt werden. 

Es könnte weiterhin angenommen werden, dass durch die größere Menge an 

geförderter Luft auch mehr Wärme durch den Wärmetauscher zurückgewon- 

nen wird. Das würde sich aber nur auf die Menge der zurückgewonnen Ener- 

gie auswirken. Trotzdem muss vom Heizsystem die entsprechende Leistung 

bereitgestellt werden. 


Variante 2 

Der erhöhte Luftwechsel bei Variante 2 hat Auswirkungen auf den Heizener- 

giebedarf, auf die verbrauchte elektrische Energie für die Kühlung und auf die 

Verteilung der Verluste. 


30000 

25000 

20000 

15000 

10000 

5000 

0 

Wärme Kühlung (elektrisch) 

Bild 24: Energieverbrauch für Wärme und Kälte der beiden Varianten 

Grundvariante 

Variante 2 

Wie bereits vermutet wurde, steigt mit dem erhöhten Luftwechsel der Heiz- 

energiebedarf an. Bei einem von 0,5 auf 0,8 h -1 erhöhten Luftwechsel beträgt 

der zusätzliche Heizenergieverbrauch etwa 4000 kWh/a. Das entspricht einer 

Erhöhung um 22% bezogen auf die Grundvariante. 

Gleichzeitig sinkt aber der Energiebedarf für die Kühlung um knapp 2000 

kWh/a, was eine Reduzierung um 8,5% bedeutet. 

61


[kWh/a] 

1800 

1600 

1400 

1200 

1000 

800 

600 

400 

200 

0 

1151 

1626 

Grundvariante Variante 2 

Bild 25: Stromverbrauch durch die Lüfter der Lüftungsanlage 

Die erhöhte Förderleistung der Lüftungsanlage ist mit einer Zunahme des 

Verbrauchs an elektrischer Energie für den Betrieb der Ventilatoren verbun- 

den. Bei dem vergleichsweise geringen Leistungsbedarf fällt die Zunahme um 

knapp 40% deutlich auf. 

Kühlenergie 

Lüfterbetrieb 

Heizenergie 

-4000 -2000 0 2000 4000 6000 

[kWh/a] 

Bild 26: Zu- und Abnahme des Energiebedarfs bei erhöhtem Luftwechsel 

Durch die Erhöhung der Luftwechselrate ist insgesamt ein Mehrverbrauch an 

Energie zu verzeichnen. Während die Kühlung im Sommer unterstützt wird 

und auf diese Weise Energie eingespart werden kann, übersteigt der zusätzli- 

che Energieverbrauch für den Lüfterbetrieb und die Beheizung diese Einspa- 

rung in der Summe um etwa 2400 kWh/a. 

Deutliche Veränderungen werden sichtbar, wenn man sich die Gegenüberstel- 

lung der Verluste betrachtet. Es zeigt sich eine Verlagerung der Verluste von 

den Wänden und Fenstern zu den Verlusten durch Lüftung. 

Wie bereits bei den Ergebnissen der Grundvariante erläutert, setzt sich der 

Wert für Lüftung aus zwei Anteilen zusammen, dem für direkte Lüftung und 

62


dem für Infiltration. Den entscheidenden Einfluss am Gesamtbetrag hat die In- 

filtration. Im Vergleich zur Grundvariante ist der entsprechende Verlust fast 

doppelt so hoch, während sich der direkte Lüftungsverlust nur geringfügig er- 

höht. Insgesamt erhöhen sich die Verluste im Bereich Lüftung um etwa 43% 

im Vergleich zur Grundvariante. Dagegen bleiben die Verhältnisse bei den 

Fenstern in etwa konstant und die Transmissionsverluste über die Wände erhöhen 

sich um 1200 kWh/a. 


70000 

60000 

50000 

40000 

30000 

20000 

10000 

0 


Grundvariante 

Variante 2 

Bild 27: Gegenüberstellung der Verluste der Grundvariante und Variante 2 

Insgesamt nehmen die Verluste in Folge des erhöhten Luftwechsels um 

10.500 kWh/a zu, was bezüglich der Grundvariante einem Anteil von etwa 

10% entspricht. 

6.4.5 Variante 3 – Grundvariante mit einer Luftwechselrate von 0,3 h -1 

Um den Vergleich mit einem unteren Wert abzurunden, wird mit der Grundva- 

riante als Basis ein Modell simuliert, bei dem die Büro- und Experimentalbe- 

reiche eine Luftwechselrate von 0,3 h -1 aufgeprägt bekommen. Da alle Fenster 

geschlossen sind und die Leckageflächen in den Außenwänden als sehr klein 

angenommen wurden, kann man die Ergebnisse für die variierten Luftwech- 

selraten auch als Maßstab für die Einflüsse einer mehr oder weniger dichten 

Bauausführung heranziehen. 

Unter diesem Gesichtspunkt betrachtet, ist vorrangig der Heizenergie- 

verbrauch als Vergleichsgröße von Interesse. Die Verteilung der Verluste lässt 

sich von der Art der Veränderung aus den bereits gewonnenen Erkenntnissen 

ableiten. Es ist davon auszugehen, dass die Lüftungsverluste sinken. 

63



Variante 3 

Die Ergebnisse aus den Simulationen sollen im folgenden Kapitel vorrangig in 

Bezug auf den jeweiligen Energieverbrauch betrachtet werden. Es ist bei einer 

korrekten Modellierung davon auszugehen, dass der Heizenergieverbrauch 

und der Stromverbrauch für den Lüfter geringer wird, während der Energie- 

verbrauch für die Kälteproduktion ansteigen dürfte. 

Es sei noch einmal daran erinnert, dass die Kühlleistung auf einen Wert von 

6665 W begrenzt ist und deshalb der entsprechende Verbrauch im Sinne ei- 

ner Vergleichsgröße zu sehen ist. Die absolute Größe kann nicht als Referenz 

betrachtet werden. Die Kühlung wurde in die Untersuchungen mit einbezogen, 

um die mögliche Leistung des Bodenplattenkühlers in die Auswertung einflie- 

ßen zu lassen bzw. entsprechende Einsparungen zu verdeutlichen. 


30000 

25000 

20000 

15000 

10000 

5000 

0 

18154 

17056 

24717 

25813 

Wärme Kühlung (elektrisch) 

Bild 28: Vergleich des Wärme- und Kälteverbrauchs der beiden Varianten 

Grundvariante 

Variante 3 

Das Diagramm in Bild 28 bestätigt die Annahme, dass der Heizenergie- 

verbrauch sinkt, während der Verbrauch für die Kühlung ansteigt. Die Verän- 

derungen sind jedoch relativ gering. Mit etwa 1100 kWh/a sinkt der Heizener- 

gieverbrauch um etwa 6% und der Verbrauch für die Kühlung steigt um etwa 

den gleichen absoluten Betrag, was bezogen auf die Grundvariante eine Erhöhung 

um 4,5% bedeutet. 

Die Veränderung beim Energieverbrauch für den Betrieb der Lüfter entspricht 

einer Reduzierung um 300 kWh/a. Da sich die Veränderungen für Beheizung 

und Kühlung aufheben, entspricht dieser Wert der gesamten Energieeinspa- 

rung bei reduziertem Luftwechsel. 

64


6.4.7 Variante 4 – Grundvariante mit umgekehrtem Lüftungsprinzip 

Eine andere Möglichkeit der Luftführung ist das für den Sommerfall gedachte 

Lüftungsprinzip, bei dem die Zuluft direkt in die Büro- und Experimentalberei- 

che eingebracht wird. In diesem Fall wird die Abluft zentral im Kellergeschoss 

abgesaugt. Die Luft gelangt bei diesem Prinzip durch die Überströmöffnungen 

aus den Büro- und Experimentalzonen in das Atrium. Von dort kann sie durch 

die Öffnungen in den Decken des Atriums (Treppenlöcher und Lufträume) bis 

in das Kellergeschoss gelangen, wo sie abgesaugt wird. 

Bei dieser Variante wurde die gleiche Luftwechselrate wie bei der Grundvari- 

ante umgesetzt (0,5 h -1 ). Es soll untersucht werden, ob die umgekehrte Rich- 

tung der Luftführung einen Einfluss auf die Ergebnisse hat. 


Variante 4 

Eine Annahme kann sein, dass durch den Richtungswechsel bei der Luftfüh- 

rung kaum Veränderungen bei den energetischen Größen eintreten. Es wird 

bei sonst gleichen Bedingungen lediglich der Ort von Einbringung und Absau- 

gung der Luft vertauscht. Dadurch könnten sich aber Veränderungen bei der 

Verteilung der Verluste einstellen. 

Die Ergebnisse der entsprechenden Simulation haben die Erwartungen bestä- 

tigt. Der Heizenergieverbrauch steigt nur unwesentlich um etwa 100 kWh/a 

an. Beim Verbrauch an elektrischer Energie für die Kühlung ist eine leichte 

Erhöhung um knapp 700 kWh/a zu verzeichnen. 

Wesentlich auffälliger sind die Veränderungen in Bezug auf die Verluste, wie 

das folgende Bild zeigt. 


70000 

60000 

50000 

40000 

30000 

20000 

10000 

0 


Grundvariante 

Variante 4 

Bild 29: Verteilung der Verluste für die Grundvariante und die Variante 4 

Es ist eine Zunahme der Verluste über die Lüftung zu erkennen. Der Anstieg 

beträgt in Bezug auf die Grundvariante 23%. Gleichzeitig nehmen die Verluste 

65


über die Fenster um knapp 5% zu, während die Transmissionsverluste über 

die Wände um 12% absinken. 

6.5 Variantenvergleiche 

Neben den Einzelvergleichen zwischen der Grundvariante und den Ergebnis- 

sen der daraus abgeleiten Modelle ist eine Gegenüberstellung aller Ergebnis- 

se interessant. Dadurch können mögliche Tendenzen oder Abhängigkeiten in 

Bezug auf die veränderten Parameter abgeleitet werden. Es ist auf diese Wei- 

se das Verhalten des Gebäudes als Reaktion auf bestimmte Veränderungen 

direkt vergleichbar. 

6.5.1 Heizenergieverbrauch 

Der Heizenergieverbrauch ist eine zentrale Größe bei der energetischen Be- 

wertung eines Gebäudes. Bei der Einstufung, ob ein Gebäude z.B. die Anfor- 

derungen der Wärmeschutzverordnung erfüllt, wird der flächen- oder volumenbezogene 

Jahres-Heizwärmebedarf berechnet und mit dem zulässigen 

Wert verglichen. 

In den Ergebnissen der Simulation wird der Energieverbrauch für die Behei- 

zung der entsprechend modellierten Zonen ausgegeben. Es handelt sich in- 

haltlich um die gleiche Größe wie beim Heizwärmebedarf. 


30000 

20000 

10000 

0 

18154 

27490 

22227 

17056 18247 

Grundvariante 

Variante 1 

Variante 2 

Variante 3 

Variante 4 

Bild 30: Gegenüberstellung des Heizenergieverbrauchs aller Varianten 

Die Darstellung zeigt den enormen Einfluss der baulichen Veränderungen auf 

den Heizenergieverbrauch. Die verringerte Dämmstärke und die reduzierten 

Wärmedämmeigenschaften der Fenster führen bei Variante 1 zum Maximum 

des Verbrauchs an Heizenergie innerhalb des Vergleichs. Der Wert bedeutet 

eine Erhöhung bezüglich der Grundvariante um 52%. 

66


Der Mehrverbrauch an Energie durch die erhöhte Luftwechselrate von 0,8 h -1 

entspricht einer anteiligen Zunahme von 22% bezogen auf die Grundvariante. 

Im Vergleich mit Variante 1 ist das aber immer noch weniger als die Hälfte be- 

züglich der Zunahme des Energieverbrauchs. 

Bei Variante 3 mit einer reduzierten Luftwechselrate von 0,3 h -1 ist der Einfluss 

am geringsten. Die Veränderung liegt im Bereich von 6% und markiert mit einem 

absoluten Wert von knapp 17.000 kWh/a den unteren Bereich des Heiz- 

energieverbrauchs. 

Der Heizenergieverbrauch bei Variante 4 zeigt praktisch kaum eine Verände- 

rung bezüglich der Grundvariante. 

Damit lässt sich feststellen, dass der bauphysikalischen Ausführung der Au- 

ßenwände und der Fenster die größte Bedeutung zukommt, da deren Einfluss 

überwiegt. Im Planungsprozess können solche Ergebnisse bei der Entschei- 

dung für eine Ausführungsalternative herangezogen werden. 

Eine Erhöhung der Luftwechselrate scheint von größerem Einfluss zu sein als 

eine Verminderung. Der leichte Unterschied in der Differenz zur Grundluft- 

wechselrate (0,5 h -1 ) kann nicht allein den Ausschlag für die Spanne von 16% 

zwischen der Zunahme bei Variante 2 und der Reduzierung bei Variante 3 

geben. 

Für die Kostenentwicklung hat die Differenz von 10.400 kWh/a zwischen minimalem 

und maximalem Heizenergieverbrauch in der absoluten Größe eine 

relativ geringe Auswirkung. Mit einem Preis von 72,50 DM/MWh für Fernwär- 

me (Sondervertrag GhK, [1]) betragen die Mehrkosten beim Maximal- 

verbrauch 750 DM pro Jahr. 

6.5.2 Verluste 

Die Verluste können im Zusammenhang mit dem Verbrauch eines Gebäudes 

gesehen werden. Für den Heizfall im Winter bedeuten höhere Verluste eine 

Zunahme des Heizbedarfs. Im Sommer können höhere Verluste vorteilhaft 

sein, um die Wärmegewinne des Tages in den kühlen Nachtstunden abführen 

zu können. Das folgende Bild macht diesbezügliche Zusammenhänge deut- 

lich. 

67



120000 

100000 

80000 

60000 

40000 

20000 

0 


Grundvariante 

Variante 1 

Variante 2 

Variante 3 

Variante 4 

Bild 31: Gegenüberstellung der Verluste für die untersuchten Varianten 

Im Bild 31 wird der entscheidende Einfluss der Fenster bei der Veränderung 

der bauphysikalischen Eigenschaften in Variante 1 deutlich. Die Verluste in 

Folge der verschlechterten Wärmedämmeigenschaften steigen enorm an und 

übersteigen die Werte der anderen Variationen durchschnittlich um fast 40%. 

Zudem ist erkennbar, dass die Fensterflächen bei allen Variationen den Groß- 

teil der Verluste ausmachen. Ein Grund für diese Tatsache ist der mit 30% 

große Anteil der Fensterflächen an der gesamten Hüllfläche. Als weiterer 

Grund ist der vergleichsweise hohe U-Wert der Fenster in Bezug auf die übri- 

ge Hüllfläche zu nennen. 

Durch den höheren Gesamtenergiedurchlassgrad von 0,58 (g=0,42 bei den 

vorhandenen Fenstern) gelangen aber auch größere Wärmegewinne durch 

die Fenster in das Gebäude. Im Durchschnitt sind es 34% mehr als bei den 

Varianten mit besserer Verglasung. Vergleicht man die Veränderungen der 

Gewinne und der Verluste, sind die Veränderungen der Verluste durchschnitt- 

lich 6% höher als die der Gewinne. 

Die Gegenüberstellung zeigt eine Verlagerung der Verluste für eine reduzierte 

Luftwechselrate bei Variante 3 zu den Wänden und Fenstern. Diese Verluste 

steigen an, während die Lüftungsverluste sinken. Dabei sind die Relationen 

für Anstieg und Reduzierung in Bezug auf die Grundvariante ähnlich. Bei Va- 

riante 2 ist ein solches Verhalten nicht zu erkennen, wobei dort die Zunahme 

der Lüftungsverluste wesentlich ausgeprägter ist. Die Verluste über die Wän- 

de und Fenster bleiben in etwa gleich. 

Betrachtet man die Gesamtverluste im folgenden Bild, ist im Zusammenhang 

mit dem Jahresheizenergieverbrauch auffällig, dass bei Variante 3 die Verlus- 

te nicht am geringsten sind, obwohl der Verbrauch an Heizenergie in diesem 

Fall am kleinsten ist. Die Grundvariante hat in der Summe die wenigsten Ver- 

luste. Eine mögliche Erklärung dafür könnte sein, dass durch die reduzierte 

68


Luftwechselrate im Sommer ein größerer Verlust über die Fenster in den 

Nachtstunden provoziert wird. Diese Vermutung basiert auf der Überlegung, 

dass eine geringe Luftwechselrate höhere Temperaturen im Rauminneren zur 

Folge hat. Der größere Temperaturunterschied zwischen Innen und Außen 

regt dann einen stärkeren Wärmestrom durch die Umfassungsflächen an, wo- 

bei die Fenster das schwächstes Glied der Wärmedämmung und der größte 

Anteil der Hüllfläche sind. Damit wäre auch der deutlichere Zuwachs der Ver- 

luste über die Fenster zu erklären (Bild 31). Für den Heizfall bedeutet die ver- 

ringerte Luftwechselrate eine Reduzierung des Heizwärmebedarfs, da bei 

gleichbleibenden Anforderungen bezüglich der Temperaturen weniger Luftvo- 

lumen ausgetauscht wird, das erwärmt werden muss. 

Variante 4 

Variante 3 

Variante 2 

Variante 1 

Grundvariante 

Gesamt 

112276 

108164 

117456 

106922 

144324 

0 40000 80000 120000 160000 

Bild 32: Gesamtverluste aller Varianten für ein Jahr 

6.5.3 Energieverbrauch für die Kühlung 

[kWh/a] 

Wie bereits erwähnt wurde, soll die berechnete Kühlenergie als Vergleichs- 

wert herangezogen werden, um eventuelle Veränderungen zwischen den Va- 

rianten betrachten zu können. Die absoluten Werte des jeweiligen Energie- 

verbrauchs sind jedoch sehr kritisch zu beurteilen, weil bei der Modellierung 

einige grobe Näherungen und Annahmen getroffen werden mussten. Diese 

stellen einen Kompromiss zwischen den wahren Gegebenheiten und den 

Möglichkeiten der modellhaften Umsetzung dar. 

Im ZUB werden die Räume nicht mittels einer Kältemaschine klimatisiert. Zur 

Gewährleistung angenehmer Temperaturverhältnisse im Sommer sollen die 

thermoaktiven Decken beitragen, indem die Raumwärme mit Hilfe des Boden- 

plattenkühlers an das Erdreich abgegeben wird. Die unverkleideten Betonde- 

cken speichern die Wärme und geben sie teilweise an das Wasser im Rohr- 

69


system der Betonkernaktivierung ab. Die Rückkühlung des erwärmten Was- 

sers erfolgt über die Bodenplatte, indem die Wärme an das Erdreich abgege- 

ben wird. Das Erdreich dient als natürlicher Kältespeicher, so dass für das 

System der Bodenplattenrückkühlung nur die elektrische Energie für den Be- 

trieb der Pumpen benötigt wird. 

Die Umsetzung dieses Systems war für die Simulation im Zusammenhang mit 

der Abbildung des gesamten Gebäudes nicht möglich. Die Möglichkeit ist pro- 

grammseitig zwar generell gegeben, aber im Rahmen der Bearbeitungszeit 

wäre dieses Vorhaben nicht realisierbar gewesen. 

Aus diesen Gründen wurde eine Alternative gewählt, um die Möglichkeit der 

Kühlung überhaupt in die Betrachtungen einbeziehen zu können. Es wurde 

ein Kälteerzeuger modelliert, der über eine begrenzte Leistung von 6665 W 

verfügt. Damit soll die abgeschätzte Dauerleistung des Bodenplattenkühlers 

abgebildet werden. 

Der sich aus der Jahressimulation ergebende Energieverbrauch für die Küh- 

lung kann als mögliches Einsparungspotential gewertet werden. Um den 

Kühlkältebedarf zum Erreichen der geforderten Temperaturgrenzen zu ermit- 

teln, wurde eine weitere Simulation für die Monate April bis Oktober mit idealer 

Kühlung durchgeführt. Die Größenordnungen der erhaltenen Ergebnisse stel- 

len unter den gemachten Annahmen nur eine Orientierung und einen Maßstab 

für einen Vergleich untereinander dar. 


40000 

35000 

30000 

25000 

20000 

24718 23952 22681 

25813 

25450 

39000 

Bild 33: Kühlenergieverbrauch bei begrenzter und idealer Kühlung 

Grundvariante 

Variante 1 

Variante 2 

Variante 3 

Variante 4 

ideale Kühlung 

Die Ergebnisse der verschiedenen Jahressimulationen zeigen eine deutliche 

Tendenz in Bezug auf die unterschiedlichen Luftwechselraten. Mit sinkendem 

Volumen an ausgetauschter Luft nimmt der Kühlkältebedarf zu. Betrachtet 

man, ausgehend von der Grundvariante mit n=0,5 h -1 , den Bedarf als Adäquat 

zum Verbrauch (Wirkungsgrad=1,0), so steigt dieser bei abnehmender Luftwechselrate 

um etwa 4,5%. Wird dagegen die Luftwechselrate auf einen Wert 

von 0,8 h -1 erhöht, verringert sich der Energieverbrauch für die Kühlung um 

70


8% bezogen auf die Grundvariante. Im Vergleich zwischen dem niedrigsten 

(Variante 2, n=0,8 h -1 ) und dem höchsten Kühlbedarf (Variante 3, n=0,3 h -1 ) 

beträgt der Unterschied fast 14% bezogen auf Variante 2. Die Abhängigkeit 

der Kühlung von der Menge des ausgetauschten Luftvolumens kann damit 

zweifelsfrei gezeigt werden. Die absolute Ersparnis beträgt in diesem Fall 

2400 kWh/a, wenn man die Mehrleistung für den Betrieb der Lüfter abrechnet. 

Für die real vorhandenen Gegebenheiten des ZUB mit der Bodenplatte als 

Rückkühler ist bezüglich des Verbrauchs nur der Mehrverbrauch von ca. 800 

kWh/a für den Betrieb der Lüfter relevant. Für die Kühlung an sich fallen durch 

die Nutzung natürlicher Ressourcen keine Mehrkosten an. Da die Leistung für 

die Kühlung beim realen Objekt begrenzt ist, kann auf jeden Fall von der un- 

terstützenden Wirkung einer erhöhten Luftwechselrate gesprochen werden. 

Es wird zudem eine Annahme bezüglich der Wärmedämmeigenschaften der 

Außenhülle bestätigt. Unterstützend für den Kühlfall im Sommer wirken ver- 

schlechterte Wärmedämmeigenschaften der Außenwände und der Fenster. 

Die Ergebnisse für Variante 1 zeigen eine Reduzierung des Kühlverbrauchs 

um 3,2%. Die Reduzierung ist im Vergleich zum Mehrverbrauch an Heizener- 

gie im Winter (+52%) sehr gering. 

Der extrem große Verbrauch für den idealen Kühlfall ist ein Beleg für die unzu- 

reichende Kühlleistung bei begrenzter Kapazität des Kälteerzeugers, wenn 

man von den modellierten Randbedingungen ausgeht. Mit dem Hintergrund, 

dass auf diese Weise die Bodenplattenrückkühlung umgesetzt wurde, bedeu- 

tet das Ergebnis, dass die abgeschätzte Leistung des Erdkollektors für die un- 

terstützende Kühlung der Räume nicht ausreicht. Die vorhandene Leistung er- 

reicht nur etwa 60% des Bedarfs, der für das Erreichen der vorgegebenen 

Maximaltemperaturen notwendig wäre. 

Man muss diese Feststellung relativieren und zusätzlich aus einer anderen 

Perspektive betrachten. Weil der Luftwechsel über die Fenster nicht quantifi- 

zierbar wäre und um die Luftwechselraten steuern zu können, werden die 

Fenster permanent geschlossen gehalten. Diese Annahme ist sicher unrealis- 

tisch, weil die Nutzer die Fenster bei Überhitzung öffnen würden. Wann und 

wie lange die Öffnung erfolgt, ist nicht quantifizierbar, aber ein entscheidender 

Einfluss auf die Raumtemperaturen und damit auf den Kühlbedarf ist zu vermuten. 

Es ist davon auszugehen, dass der Kühlbedarf erheblich gesenkt wer- 

den könnte. Anders ausgedrückt könnte der Bodenplattenkühler mit seiner 

begrenzten Leistung die sommerlichen Raumtemperaturen dann deutlicher 

verringern, da das Temperaturniveau in den Zonen niedriger wäre. 

71


6.6 Zusammenfassung und Bewertung der Ergebnisse 

Aus den vorliegenden Ergebnissen der Jahressimulationen lassen sich gene- 

relle Aussagen zum energetischen Verhalten des Gebäudes machen. Dabei 

werden zuvor gemachte Annahmen bestätigt. Man kann die umgesetzten Mo- 

dellvariationen aus verschiedenen Perspektiven betrachten und die Ergebnis- 

se entsprechend bewerten. Das angestrebte Ziel der Untersuchung spielt bei 

der Einschätzung der Resultate ebenfalls eine Rolle. 

Der Ansatz für die hier durchgeführten Simulationen war es, Erkenntnisse ü- 

ber das Verhalten des Gebäudes zu erhalten, wenn ausgewählte Parameter 

variiert werden. Die absolute Größe der Ergebnisse hat eine untergeordnete 

Wertigkeit. 

Im Vergleich der verschiedenen Varianten zeigen sich ganz klare Tendenzen. 

Mit zunehmender Luftwechselrate steigt der Heizenergieverbrauch an. Das 

Simulationsergebnis folgt damit der Logik und ist aus diesem Blickwinkel ge- 

sehen korrekt. In diesem Zusammenhang können die Ergebnisse für die Ver- 

luste ebenfalls betrachtet werden. Die Varianten mit dem höheren Heizener- 

gieverbrauch weisen auch die höheren Lüftungsverluste auf, was in Folge der 

erhöhten Luftwechselrate auch realistisch ist. Der gleiche Zusammenhang trifft 

auch auf die Variante 4 (umgekehrte Luftführung) zu, obwohl dort die gleiche 

Luftwechselrate wie bei der Grundvariante vorliegt. Damit beeinflussen die 

Lüftungsverluste, egal wodurch sie hervorgerufen werden, den Heizenergie- 

verbrauch. 

Bei den baulichen Veränderungen zeigen die Fenster ihren entscheidenden 

Einfluss auf den Heizenergieverbrauch. Dieser steigt stark an, während die 

Verluste über die Fenster in Variante 2 deutlich zunehmen. Der Einfluss der 

Transmissionsverluste über die Fenster ist so groß, dass dadurch der Ge- 

samtverlust maximal wird. Der enorme Einfluss der Fenster auf das energetische 

Verhalten war zu erwarten, da sie einen Großteil der Fassadenfläche 

einnehmen und die vergleichsweise ungünstigsten Wärmedämmeigenschaf- 

ten aufweisen. 

Die Ergebnisse für den Kühlverbrauch sind nur als Vergleichswerte zu sehen. 

Es ist nicht klar, warum der jeweilige Verbrauch bei begrenzter Leistung so 

stark von dem Wert bei idealer Kühlung abweicht. Es ist eine Tendenz zu er- 

kennen, die mit den Erkenntnissen aus den Heizenergiebetrachtungen kor- 

respondiert und auch logisch ist. Im Gegensatz zum sinkenden Heizenergie- 

verbrauch bei abnehmender Luftwechselrate, nimmt der Verbrauch für die 

Kühlung zu. Auch bei Variante 2 sinkt der Kühlenergieverbrauch leicht, wäh- 

rend in der Heizperiode ein starker Verbrauchsanstieg zu bemerken ist. 

72


Daraus kann die Vermutung abgeleitet werden, dass die Veränderungen (egal 

ob hinsichtlich der Luftwechselrate oder der Wärmedämmeigenschaften) für 

den Heizfall gravierendere Auswirkungen haben als für den Kühlfall. Die be- 

grenzte Kühlleistung kann ein Grund für dieses Verhalten sein. 

73

7 Vergleich mit vorhandenen Ergebnissen 


Für das ZUB gibt es zwei Datenquellen, die teilweise vergleichbare Ergebnisse 

enthalten. Ein Vergleich mit dem jeweils ermittelten Jahresheizwärme- 

verbrauch sollte möglich sein, wobei im Fall der Ergebnisse aus dieser Arbeit 

die Werte aus der Simulation der Grundvariante betrachtet werden. 

Eine Vergleichsrechnung ist der Wärmeschutznachweis nach WSVO 95, des- 

sen Ergebnisse unter anderem in [1] ermittelt worden. Dabei handelt es sich 

um ein statisches Berechnungsverfahren. Der Nachweis wurde in der genann- 

ten Arbeit mit der Software WPASS von der Energiepaß-Service GmbH ge- 

führt. 

Im Zuge der Planungen des ZUB wurde bereits eine dynamisch thermische 

Gebäudesimulation mit der Software HAUSer durchgeführt [3]. Dabei sind 

verschiedene Annahmen getroffen worden, von denen einige in der hier 

durchgeführten Simulation Verwendung finden. Ansonsten ist versucht wor- 

den, den ausgeführten Zustand des Gebäudes und der Technik zu simulieren. 

Das ist ein Grund, weshalb die Ergebnisse nicht direkt bezüglich der absolu- 

ten Werte verglichen werden können. Ein weiterer Grund sind Eingaben und 

Bedingungen, die in der Simulation mit HAUSer in Ansatz gebracht wurden, 

die in dieser Form mit IDA ICE nicht oder nur vergleichsweise umsetzbar sind. 

Beispielsweise sind in der HAUSer-Simulation Regelstrategien für den Heiz- 

und Kühlbetrieb umgesetzt, die in dieser Detailtiefe in IDA nicht problemlos 

abgebildet werden können. Der Heizbetrieb wird über Massenströme gesteu- 

ert, was für das Modell der Fußbodenheizung in IDA ICE nicht direkt möglich 

ist. Es kann auch nicht angegeben werden, dass der Luftwechsel in Abhän- 

gigkeit von der Temperatur erhöht oder verringert werden soll. Die entspre- 

chenden Eingaben und Anpassungen sind eventuell durchführbar, können 

aber im zeitlichen Rahmen dieser Untersuchung nicht berücksichtigt werden. 

Speziell ein Ergebnis der HAUSer-Simulation, die Darstellung der Übertempe- 

raturgradstunden, ist in IDA ICE kein Bestandteil der Ergebnisausgabe. Dieser 

Ausdruck für den Raumkomfort bzw. zu hohe Temperaturen kann also nicht 

verglichen werden. 

Eine qualitative Gegenüberstellung entsprechender Ergebnisse sollte aber 

möglich sein, wobei vor allem relative Veränderungen sichtbar werden dürften. 

Die absolute Größe der Ausgabewerte ist auf Grund der unterschiedlichen Be- 

rechnungssysteme bedingt aussagekräftig. 

74


7.1 Gegenüberstellung der Simulationsergebnisse aus IDA 

ICE und HAUSer 

In der Planungsphase für das ZUB wurde eine dynamisch thermische Gebäu- 

desimulation mit der Software HAUSer durchgeführt. Die Software wurde von 

Prof. Dr.-Ing. G. Hauser im Rahmen seiner Dissertation entwickelt. 

Beim folgenden Vergleich soll der Heizwärmebedarf verglichen werden, der in 

den jeweiligen Jahressimulationen ermittelt wurde. Für die Simulation mit IDA 

ICE werden dazu die Ergebnisse der Grundvariante herangezogen. In beiden 

Modellen wurde eine ideale Beheizung des Gebäudes angenommen. 


[kWh] 

20000 

15000 

10000 

5000 

6000 

5000 

4000 

3000 

2000 

1000 

0 

0 

Januar 

Februar 

Jahresheizwärmeverbrauch 

April 

18154 

10695 

Monatliche Verteilung 

Mai 

Juni 

Juli 

August 

September 

Oktober 

November 

Dezember 

IDA ICE 

HAUSer 

IDA ICE 

HAUSer 

Bild 34: Jahresheizwärmeverbrauch und Verteilung des Verbrauchs für die einzelnen 

Monate 

Der Jahresverbrauch der beiden Simulationen differiert sehr deutlich. Bezogen 

auf das Ergebnis der Simulation mit HAUSer liegt der Vergleichswert aus IDA 

ICE um knapp 41% höher. 

75


Im ersten Teil der Heizperiode liegen die absoluten Verbrauchswerte teilweise 

deutlich auseinander, aber in der Relation verhalten sich die Ergebnisse ähn- 

lich. Die Reduzierung des Heizwärmeverbrauchs von Januar zu Februar ist 

beim HAUSer-Ergebnis mit 2815 kWh wesentlich größer als der Rückgang bei 

IDA ICE mit einem Wert von 1270 kWh. Noch extremer ist die Differenz der 

Ergebnisse in der zweiten Heizperiode, wie in Bild 34 zu erkennen ist. Aus der 

Simulation mit HAUSer ergibt sich praktisch nur ein nennenswerter Heizener- 

giebedarf für den Monat Dezember, während der Verbrauch bei IDA ICE be- 

reits im Oktober mit einem Wert von 420 kWh beginnt und bis Dezember auf 

etwa 4700 kWh ansteigt. In der HAUSer-Simulation wird ein Verbrauch er- 

rechnet, der im Dezember nur 72% des IDA ICE-Wertes entspricht. 

Da beiden Simulationen die gleichen Wetterdaten für die Klimaregion 4 zu 

Grunde liegen, können die Ursachen für das Abweichen der Ergebnisse viel- 

fältig sein. Ein möglicher Grund könnte die Genauigkeit der umgesetzten 

Heizanlage sein. Beide Simulationsmodelle gehen von einer idealen Behei- 

zung, was bedeutet, dass immer eine ausreichend große Leistungsabgabe 

des Kessels gegeben ist, um die geforderten Temperaturen in den Räumen zu 

erzielen. 

Das in IDA ICE umgesetzte Modell einer Fußbodenheizung ist erstmals in der 

verwendeten Version 3.0b verfügbar. Die geplante Heizleistung wird in W/m² 

angegeben, woraus programmseitig die Vorlauftemperatur und der Massen- 

strom berechnet werden. Bei der HAUSer-Simulation erfolgt dagegen direkt 

die Vorgabe des Massenstroms und der Vorlauftemperatur. 

Es sollen hier aber keine tiefgreifenden Analysen über die unterschiedlichen 

Eingabemöglichkeiten und die möglicherweise daraus resultierenden Unter- 

schiede in den Ergebnissen durchgeführt werden. Es kann und soll auch keine 

Bewertung der Qualität der Resultate erfolgen. 

Die Gegenüberstellung wird einfach als Möglichkeit verstanden, das Vorhan- 

densein der Ergebnisse aus unterschiedlichen Berechnungen zu nutzen, um 

Differenzen aufzuzeigen. 

7.2 Gegenüberstellung der Ergebnisse aus IDA ICE und dem 

Wärmeschutznachweis nach WSVO 95 

In diesem Fall werden Ergebnisse gegenübergestellt, die aus zwei unter- 

schiedlichen rechnerischen Ansätzen hervorgehen. Der Wärmeschutznachweis 

nach Wärmeschutzverordnung 1995 basiert auf statischen Randbedin- 

gungen während in der Simulation dynamische Werte für die Berechnungen 

verwendet werden. Es erfolgt damit in der dynamisch thermischen Simulation 

76


unter bestimmten Vereinfachungen eine realistischere Umsetzung der Gege- 

benheiten. Genannt werden sollen hier beispielsweise der Verlauf der Außen- 

temperaturen, die Sonneneinstrahlung und die damit zusammenhängenden 

thermischen Veränderungen in den Räumen. Daraus resultiert folglich auch 

ein dynamisch angepasster Heizenergieverbrauch. 

Bedarf [kWh/a] 

60000 

50000 

40000 

30000 

20000 

10000 

0 

18154 

Jahresheizwärmebedarf 

36443 

27490 

54950 

Grundvariante Variante 1 

Bild 35: Jahresheizwärmebedarf nach IDA ICE und WSVO 95 

IDA ICE 

WSVO 95 

In der Wärmeschutzverordnung wird der Jahresheizwärmebedarf ermittelt, der 

dem Heizenergieverbrauch aus den Simulationsberechnungen entspricht, da 

der Heizkessel im Modell mit einem Wirkungsgrad von 1,0 abgebildet wurde. 

Die Ergebnisse zeigen deutlich die weitaus höheren Werte, die aus den stati- 

schen Ansätzen resultieren. Für beide Varianten beträgt der Bedarf an Heiz- 

wärme bei der Simulation mit IDA ICE nur etwa 50% des Wertes, der aus den 

Berechnungen für den Wärmeschutznachweis hervorgeht. Die Ungenauigkeit 

bezüglich des real zu erwartenden Bedarfs wird erkennbar. Es muss beachtet 

werden, dass im Wärmeschutznachweis ein Vergleich mit einem zulässigen 

Maximalwert durchgeführt wird und der Hauptansatz nicht eine Voraussage 

über den real zu erwartenden Verbrauch ist. Der so ermittelte Wert muss im 

Vergleich mit dem Simulationsergebnis kritisch betrachtet werden, da dieses 

in Anbetracht der Feststellungen aus Kapitel 7.1 wohl auch noch als recht 

hoch eingestuft werden muss. 

Die Ergebnisse verhalten sich im Vergleich der Varianten untereinander nahe- 

zu identisch. Die Simulationsergebnisse zeigen eine Zunahme des 

Verbrauchs bezogen auf die Grundvariante um gut 51%. Nach der WSVO 95 

ergibt sich prinzipiell das gleiche Ergebnis, wo sich der Heizwärmebedarf der 

Grundvariante um 50% erhöht. Trotz der großen absoluten Unterschiede der 

beiden Berechnungen zeigt sich, dass die Veränderungen der Variante 1 in 

beiden Fällen die gleichen Auswirkungen haben. Da die Eingabewerte für den 

Wärmeschutznachweis klar definiert sind, kann man davon ausgehen, dass 

77


diese Tendenz zutreffend ist. Daraus abgeleitet, kann man feststellen, dass 

für die Simulation ein Modell abgebildet wurde, das sich trotz der Vielzahl der 

zu definierenden Parameter vergleichbar und damit korrekt verhält. 

7.3 Gegenüberstellung der drei Berechnungen 

Als letztes soll eine Gegenüberstellung erfolgen, die einen Überblick zu bei- 

den Simulationsergebnissen und dem Ergebnis aus dem Wärmeschutznach- 

weis bietet. Damit kann das Ergebnis der hier durchgeführten Simulation in 

der Relation zu den anderen Ergebnissen eingestuft werden. Als Vergleichs- 

wert findet zusätzlich der zulässige Jahresheizwärmebedarf Erwähnung, um 

eine Aussage zur Größenordnung der Ergebnisse machen zu können. 

Für die Ergebnisse der Simulation (mit IDA ICE) und des Wärmeschutznach- 

weises liegen die baulichen Randbedingungen der Grundvariante zu Grunde. 

Der zulässige Heizwärmebedarf als möglicher Maßstab ist Bestandteil des 

Wärmeschutznachweises und wird dort bei Raumhöhen, die mehr als 2,60 m 

betragen, auf das Gebäudevolumen bezogen. Das außenmaßbezogene Vo- 

lumen des ZUB ist in [1] mit 6788 m³ ermittelt worden. 

[kWh/m³a] 

25 

20 

15 

10 

5 

0 

19,8 

maximal 

zulässig 

nach 

WSVO 95 

5,4 

Ist-Wert 

nach 

WSVO 95 

2,7 1,6 

IDA ICE HAUSer 

Bild 36: Gegenüberstellung des Jahresheizwärmebedarfs aller Berechnungen 

In seiner bestehenden Ausführung unterschreitet das ZUB den zulässigen 

Jahresheizwärmebedarf nach WSVO 95 sehr deutlich. Der ermittelte Wert be- 

trägt nur etwas mehr als ein Viertel der maximal zulässigen Größe. Damit liegt 

das ZUB im Bereich des Niedrigenergiehausstandards, da der maximal zuläs- 

sige Wert um mehr als 25% unterschritten wird (Eigenheimzulagegesetz, §9, 

Absatz 4, Satz1). 

Die Ergebnisse der dynamisch thermischen Gebäudesimulationen liegen in 

Bereichen, die ein noch höheres Niveau der energetischen Optimierung zei- 

gen. Während das Resultat aus IDA ICE bei weniger als einem Siebtel des zulässigen 

Wertes liegt, unterschreitet die HAUSer-Simulation auch diesen Wert 

78


noch einmal. Mit 1,6 kWh/m³a entspricht das gerade mal einem Betrag von 

8,1% am zulässigen Jahresheizwärmebedarf. 

Ein Grund für die gravierenden Unterschiede dürfte wohl der genauere Ansatz 

der Simulationsprogramme hinsichtlich der Randbedingungen sein. Eine we- 

sentliche Rolle spielen dabei mit Sicherheit die Verwendung der stündlichen 

Wetterdaten für die entsprechende Region und der dynamische Verlauf der 

Berechnungen. 

79

8 Resümee 

8 Resümee 

Entgegen dem häufigeren Ansatz bei thermischen Gebäudesimulationen, ein 

geplantes Objekt zu untersuchen, war der Inhalt dieser Arbeit ein bereits be- 

stehendes Gebäude, mit seinen geometrischen Abmessungen, seinen Fassa- 

den und seiner technischen Ausstattung. Man neigt dazu, das Modell zu stark 

an die vorhandenen Bedingungen anpassen und so eine zu große Detailtiefe 

erzeugen zu wollen. 

Das Zentrum für umweltbewusstes Bauen in Kassel sollte in Bezug auf sein 

energetisches Verhalten als Gesamtobjekt betrachtet werden. Dazu war es 

notwendig, die realen Gegebenheiten in einem Modell umzusetzen, welches 

die Grundlage für die dynamisch thermische Gebäudesimulation ist. Dabei 

muss eine Vielzahl von Vereinfachungen und Annahmen getroffen werden, 

um die Eigenschaften des Gebäudes mit den programmtechnischen Möglich- 

keiten von IDA ICE abbilden zu können. 

Da die programmseitige Verarbeitung der Informationen nicht immer bis ins 

Detail nachvollzogen werden kann, wurden vor der eigentlichen Simulation 

umfangreiche Plausibilitätsuntersuchungen durchgeführt. Beispielsweise ist 

das modellierte Lüftungsschema durch das Nachvollziehen der Luftvolumen- 

ströme, die sich durch das Gebäude bewegen, überprüft worden. Es konnte 

mittels der Ergebnisse nachgewiesen werden, dass die Modellierung der rich- 

tigen Logik folgt (Kapitel 6.1.1). Die absolute Größe der Endergebnisse muss 

damit nicht zwangsläufig korrekt sein, aber das tendenzielle Verhalten kann 

als fundiert angesehen werden. 

Um das energetische Verhalten des modellierten Gebäudes untersuchen zu 

können, wurden Jahressimulationen mit variierten Parametern durchgeführt. 

Zum einen wurden die Ausführung der Außenwände und der Verglasung ver- 

ändert, zum anderen unterschiedliche Luftwechselraten betrachtet und die 

Richtung der Luftführung umgekehrt. 

Ursprünglich sollte auch die Kühlung der Räume über die thermoaktiven Decken 

mit der Bodenplatte als Wärmesenke in der Modellierung erfasst werden. 

Dieser Punkt hat sich aber im Rahmen der Gesamtaufgabe als zu aufwendig 

erwiesen, so dass eine alternative Umsetzung gewählt wurde. Eine Kältema- 

schine dient als Ersatz, wobei deren Energieverbrauch als Ersparnis in Bezug 

auf die reale Situation gewertet wird. Außerdem sind relative Veränderungen 

durch die Variation der Parameter erkennbar. 

80

8 Resümee 

Es ist nach einigen Schwierigkeiten gelungen, das Gebäude im Rahmen der 

Möglichkeiten so abzubilden, dass ein lauffähiges Modell existiert, an dem Pa- 

rametervariationen getestet werden können. Die Umsetzung der realen Gege- 

benheiten kann als ausreichend genau angesehen werden. 

Alle Vergleiche beziehen sich auf die Grundvariante, die den ausgeführten 

Zustand des ZUB abbildet. Dabei wurde eine Luftwechselrate von 0,5 h -1 angesetzt. 

Die Ergebnisse der Jahressimulationen zeigen deutliche Tendenzen. Erwar- 

tungsgemäß führt eine erhöhte Luftwechselrate zu einer Zunahme des Heiz- 

energieverbrauchs und zur Reduzierung der eingebrachten Kühlenergie. Der 

Heizenergieverbrauch verändert sich dabei stärker als der Kühlenergie- 

verbrauch. Ein Grund für dieses Verhalten könnte die als ideal angesetzte 

Heizleistung des Kessels sein, während die Kühlleistung begrenzt wurde. 

Die umgekehrte Richtung der Luftführung (Zuluft in den Büro- und Experi- 

mentalbereichen, Abluft zentral) hat ebenfalls einen veränderten Verbrauch 

zur Folge. Es handelt sich um relativ kleine Veränderungen, wobei der Kühl- 

energieverbrauch stärker ansteigt als der für die Beheizung. Dieses Verhalten, 

dass Heiz- und Kühlenergieverbrauch ansteigen, differiert von dem der ande- 

ren Varianten. Ungewöhnlich ist auch der Mehrbedarf für die Kühlung, obwohl 

die Lüftungsverluste gestiegen sind (Bild 31). 

Den entscheidenden Einfluss auf den Heizenergieverbrauch hat das Herab- 

setzen der Dämmeigenschaften für Fenster und Außenwände. Dominant ist 

dabei der enorm gestiegene Verlust über die Fenster, der damit die Ergebnis- 

se am stärksten beeinflusst. Die Gesamtverluste sind für diese Variante eben- 

falls maximal. Der Kühlenergieverbrauch ist trotz der hohen Verluste nicht am 

geringsten. Durch die schlechtere Verglasung sind auch die solaren Gewinne 

höher, was diesen Umstand erklären könnte. 

Zwischen dem höchsten und dem niedrigsten Heizenergieverbrauch besteht 

ein Unterschied von knapp 10.500 kWh/a. Im konkreten Fall des ZUB ent- 

spricht das einem jährlichen Kostenunterschied von momentan etwa 760,-DM. 

Man darf jedoch nicht nur den relativ geringen finanziellen Mehraufwand se- 

hen, sondern muss auch den Ausstoß an Kohlendioxid bedenken. Bei der 

Nutzung von Fernwärme wird eine Menge von 0,24 kg CO2/kWh produziert 

[14], was für das ZUB eine ausführungsabhängige Differenz von 2,5 t CO2 pro 

Jahr bedeutet. In Bezug auf die Umweltbeeinflussung muss der energetischen 

Optimierung eines Gebäudes die nötige Aufmerksamkeit geschenkt werden. 

Die Ergebnisse zum Kühlenergieverbrauch dieser Untersuchung sollten nur 

als Vergleichswerte dienen, da bei den absoluten Größen enorme Unterschie- 

81

8 Resümee 

de zwischen begrenzter und idealer Kühlung auftreten. Die Spanne zum Kühl- 

bedarf in [3] ist mit ca. 10.000 kWh/a ebenfalls sehr groß. 

Bewertet man die Feststellungen qualitativ, kann der Einsatz eines Bodenplat- 

tenkühlers auf jeden Fall als ökologisch sinnvoll eingestuft werden, da ein er- 

heblicher Anteil elektrischer Energie für die Kälteerzeugung eingespart wird. 

Die Aussage gewinnt an Relevanz, wenn man die bei der Stromerzeugung 

produzierte Menge von 0,56 kg CO2/kWh bedenkt [14]. 

Vergleicht man nur die Ergebnisse aus den Modellen mit begrenzter Kühlung, 

kann man folgendes feststellen: Zwischen den Verbrauchswerten der einzel- 

nen Varianten treten Unterschiede auf, was bedeutet, dass die maximale 

Kühlleistung nicht immer voll ausgeschöpft wird. Betrachtet man den zeitlichen 

Verlauf der von der Kältemaschine zugeführten Kühlleistung, kann man er- 

kennen, dass diese während der gesamten Sommerperiode an ihre Leis- 

tungsgrenze stößt. Damit dürften die Leistungsreserven des Bodenplattenküh- 

lers, der auf diese Art abgebildet wurde, in den Übergangsmonaten liegen. In 

den entscheidenden Sommermonaten reicht die abgeschätzte Kälteleistung 

des Bodenplattenkühlers für das ZUB nicht aus, um die Wärmelasten abzu- 

führen und die angestrebten Temperaturen zu erreichen. Diese Aussage gilt 

nur im Zusammenhang mit den übrigen, angenommenen Randbedingungen. 

Einen entscheidenden Einfluss haben dabei die Festlegungen für die Lüftung. 

Die Übertragung der Realität in ein Modell macht es notwendig, individuelle 

Festlegungen und Annahmen zu treffen. Davon wird eine thermische Gebäu- 

desimulation stark geprägt, was auch der Unterschied zwischen den Ergeb- 

nissen dieser Untersuchung und den Ergebnissen aus [3] erkennen lässt. 

Deshalb kann man die Ergebnisse auch nicht als richtig oder falsch einstufen. 

Vielmehr liegen sie mehr oder weniger weit von den wirklichen Größen ent- 

fernt. 

Eine thermische Gebäudesimulation bietet vielfältige Variationsmöglichkeiten, 

um in der Planungsphase eines Gebäudes Ausführungsalternativen auf ihre 

energetischen Auswirkungen zu prüfen. Das gleiche gilt für geplante Sanie- 

rungen im Baubestand. Darüber hinaus können beispielsweise unterschiedli- 

che Regelstrategien für die Heizanlage untersucht werden. 

Es sind auch andere Untersuchungsansätze denkbar. Eine Möglichkeit wäre 

die Bestimmung der Luftwechselraten bei definiert geöffneten Fenstern. So 

könnte näherungsweise der Einfluss des Nutzerverhaltens auf den Energie- 

verbrauch betrachtet werden. Das wahre Nutzerverhalten ist jedoch schwer 

abschätzbar, was die Ergebnisse wieder entscheidend von den getroffenen 

Annahmen abhängig macht. 

82

8 Resümee 

Neben den energetischen Größen können die raumklimatischen Bedingungen 

als Ergebnis einer Simulation ausgewertet werden. Einen Konsens zwischen 

Energieverbrauch und Behaglichkeit zu finden, wäre ein weiterer Ansatz für 

die Durchführung einer thermischen Gebäudesimulation, was aber eine sehr 

komplexe Aufgabenstellung sein dürfte. 

Ein erster Schritt für weiterführende Untersuchungen ist mit der vorliegenden 

Arbeit getan worden. Das Ziel, das ZUB als gesamtes Gebäude abzubilden, 

und daran dynamisch thermische Jahressimulationen durchzuführen, wurde 

erreicht. Trotz teilweise programmbedingter Schwierigkeiten bei den Berech- 

nungen für ein Jahr, konnten im Rahmen der Bearbeitungszeit fünf Varianten 

getestet und verglichen werden. Die aus den Ergebnissen abgeleiteten Ver- 

gleiche zeigen deutliche Tendenzen. Dass eine dynamisch thermische Simu- 

lation ein probates Instrument zur Bewertung des energetischen Verhaltens 

eines Gebäudes ist, wurde mit den durchgeführten Untersuchungen gezeigt. 

83

9 Literaturverzeichnis 

9 Literaturverzeichnis 

[1] Katrin Schlegel, Zentrum für Umweltbewusstes Bauen Kassel – Doku- 

mentation und Analyse eines innovativen Forschungs- und Demonstra- 

tionsobjektes, Diplomarbeit, 2001 

[2] Kalksandstein; Planung, Konstruktion, Ausführung; 3. Auflage 

[3] Thermische Simulationsrechnungen zu dem Neubau des Zentrums für 

umweltgerechtes Bauen; Ingenieurbüro Prof. Dr. Hauser GmbH, Ch. 

Kempkes; Januar 2001 

[4] Hauser G., Kempkes Ch., Olesen B.W.; Computer Simulation of Hydonic 

Heating/Cooling System with Embedded Pipes, DA-00-8-4 

[5] VDI 6020, Blatt 1; Anforderungen an Rechenverfahren zur Gebäude- 

und Anlagensimulation, Gebäudesimulation; Mai 2001 

[6] Handbuch IDA-ICE, Bris Data AB, 1999, (EQUA Simulation Technol- 

ogy Group AB) 

[7] BINE, Profi Info-Service, Nr.1/Oktober 1991 

[8] Mika Vuolle, Per Sahlin; IDA Indoor climate and Energy – A New- 

Generation Simulation Tool; Proceedings of Healthy Buildings 2000, 

Vol. 2 

[9] Handbuch IDA NMF Translator, Bris Data AB, 1999, (EQUA Simulation 

Technology Group AB) 

[10] Markus Koschenz, Beat Lehmann; Thermoaktive Bauteilsysteme tabs; 

EMPA Dübendorf, 1. Auflage Juli 2000 

[11] Meierhans / Olesen; Betonkernaktivierung; VELTA Norderstedt, 1. Auf- 

lage 1999 

[12] Jahresbericht des Umweltbundesamtes 1999 

[13] Stephanie Koch, Praktische Auswirkungen und Konsequenzen für Pla- 

nung und Fertigung von Hochbauten durch den Einsatz thermisch akti- 

ver Decken, Diplomarbeit 2001 

[14] Wärmeschutz bei Gebäuden; Broschüre des Bundesministeriums für 

Raumordnung , Bauwesen und Städtebau; März 1996 

[15] Bautabellen für Ingenieure, Herausgegeben von Klaus-Jürgen Schnei- 

der, 12. Auflage 1996, Werner-Verlag 

84

Anhang 

Anhang 



Ausgabetabellen aus IDA ICE für alle ausgewerteten 

Varianten

Anhang 


Bild 1: Südansicht des ZUB [Quelle: Seddig-Architekten] 5 

Bild 2: Variante des Lüftungsprinzips 6 

Bild 3: Schematische Darstellung der Modellierung und Simulation [nach Per Sahlin] 16 

Bild 4: Eingabemaske im einfachsten Level – Room Wizard 18 

Bild 5: Möglichkeit einer Gebäudesimulation mit einer Zone – Standard Level 19 

Bild 6: Eingabemaske zur Definition einer Wand 21 

Bild 7: Darstellung einer Zone im Advanced Level 22 

Bild 8: Markierte Zone zum Teilen von Wänden 24 

Bild 9: Aufteilung der Zonen im Kellergeschoss 30 

Bild 10: Aufteilung der Zonen im Erdgeschoss 31 

Bild 11: Aufteilung der Zonen im 1. Obergeschoss 32 

Bild 12: Aufteilung der Zonen im 2. Obergeschoss 33 

Bild 13: Temperaturverläufe für eine max. Kühlleistung von 200 W und großer Fläche 

47 

Bild 14: Temperaturverläufe für eine max. Kühlleistung von 200 W und kleiner Fläche 

48 

Bild 15: Prozentuale Aufteilung nach Verbrauchsarten 53 

Bild 16: Prozentuale Verteilung bezüglich elektrischer Verbraucher 53 

Bild 17: Verteilung am elektrischen Energieverbrauch bei Vernachlässigung der 

Kühlung 54 

Bild 18: In das Gebäude eingebrachte Energie 55 

Bild 19: Gegenüberstellung der Einträge und Verluste 56 

Bild 20: Vergleich von Grundvariante und Variante 1 bezüglich Elektrizität und Wärme 

58 

Bild 21: Energieverluste nach außen über die entsprechenden Wege 58 

Bild 22: Erträge und Verluste durch die Fenster für Grundvariante und Variante 1 59 

Bild 23: Gegenüberstellung der Erträge und Verluste durch die Fenster für Variante 1 

60 

Bild 24: Energieverbrauch für Wärme und Kälte der beiden Varianten 61 

Bild 25: Verbrauch durch die Lüfter der Lüftungsanlage 62 

Bild 26: Zu- und Abnahme des Energiebedarfs bei erhöhtem Luftwechsel 62 

Bild 27: Gegenüberstellung der Verluste der Grundvariante und Variante 2 63 

Bild 28: Vergleich des Wärme- und Kälteverbrauchs der beiden Varianten 64 

Bild 29: Verteilung der Verluste für die Grundvariante und die Variante 4 65 

Bild 30: Gegenüberstellung des Heizenergieverbrauchs aller Varianten 66 

Bild 31: Gegenüberstellung der Verluste für die untersuchten Varianten 68 

Bild 32: Gesamtverluste aller Varianten für ein Jahr 69 

Bild 33: Kühlenergieverbrauch bei begrenzter und idealer Kühlung 70 

Bild 34: Jahresheizwärmeverbrauch und Verteilung des Verbrauchs für die einzelnen 

Monate 75 

Bild 35: Jahresheizwärmebedarf nach IDA ICE und WSVO 95 77 

Bild 36: Gegenüberstellung des Jahresheizwärmebedarfs aller Berechnungen 78

Anhang 


Tabelle 1: Angaben zur Leistungsbestimmung von Flächensystemen 

[Olesen, 95 u. 97] 12 

Tabelle 2: Zuordnung der Zonen im Kellergeschoss 27 

Tabelle 3: Zuordnung der Zonen im Erdgeschoss 28 

Tabelle 4: Zuordnung der Zonen im 1. Obergeschoss 28 

Tabelle 5: Zuordnung der Zonen im 2. Obergeschoss 29 

Tabelle 6: Leistungswerte für Kunstlicht in den Zonen (Quelle [1]) 35 

Tabelle 7: Angaben für den aktiven Betrieb von Bürogeräten (Quelle [11]) 36 

Tabelle 8: Zusammenfassung der verwendeten Bauteile und Materialien 39 

Tabelle 9: Für die Jahressimulationen verwendete Modellvarianten 51

Anhang 

Ausgabetabellen aus IDA ICE für alle 

ausgewerteten Varianten

Ausgabetabellen IDA ICE Anhang Seite 5 

Ausgabetabellen von IDA ICE 

Erläuterung der spezifischen Bezeichnungen in den Ausgabetabellen 

Bei der Ausgabe der Ergebnisse hat man die Auswahl zwischen verschiedenen Op- 

tionen. In der Eingabemaske ‚General’ befindet sich der Button ‚Requested output’. 

Darunter verbergen sich verschiedene Möglichkeiten, die den Umfang und die Inhal- 

te der Ergebnisse steuern. Es handelt sich um die Unterscheidung nach Gesamter- 

gebnissen für das Gebäude und um Ergebnisse für die einzelnen Zonen. Inhaltlich 

unterscheiden sich die Ergebnisse dahingehend, dass für das Gebäude energeti- 

sche Auswertungen möglich sind, wohingegen für die Zonen vorrangig Ergebnisse 

hinsichtlich des Komforts eine Rolle spielen, wie z.B. die operativen Temperaturen, 

Fanger’s Komfort Indices oder die Luftqualität in den Räumen. 

Erläuterungen zu den Ergebnissen für das Gebäude 

Wie bereits erwähnt, spielen in diesem Zusammenhang vorrangig energetische Er- 

gebnisse eine Rolle, die im Bereich von Gesamtbewertungen liegen. Für eine Jah- 

ressimulation werden die Ergebnisse der einzelnen Monate aufgeführt und der Jah- 

resverbrauch zusammengefasst dargestellt. 

Unter den Angaben für ‚Purchased energy’ sind die Ergebnisse für bezahlbare E- 

nergieverbräuche aufgelistet. Es wird nach Stromverbrauch und Wärmeverbrauch 

unterschieden. Der Stromverbrauch ist nach zentralem Verbrauch (HVAC System) 

und dem Verbrauch für Licht und Geräte aller Zonen unterteilt. Im zentralen 

Verbrauch werden die Werte für Lüfter, Pumpen und die Kälteerzeugung zusam- 

mengefasst. Die Bezeichnung ‚Primärenergie’ ist an dieser Stelle verwirrend, weil 

die Größe gar nicht über Primärenergiefaktoren bewertet ist. Vielmehr handelt es 

sich um die Energiezufuhr vor dem Kessel. Daraus ergibt sich, dass dieser Wert mit 

dem des Wärmebedarfs korrespondiert, der in der Auswertung unter ‚Energy used 

by zone’ aufgeführt ist. Der Wärmebedarf muss von den entsprechenden Einheiten, 

in diesem Fall von der Fußbodenheizung, in den Zonen zur Verfügung gestellt wer- 

den. Dieser steht mit der Energiezufuhr vor dem Kessel über den Kesselwirkungs- 

grad in Verbindung. Im konkreten Fall erfolgt die Bereitstellung der Wärme über ei- 

nen Fernwärmeanschluss. Dafür muss ein Wirkungsgrad für den Kessel von 1,0 

angesetzt werden. Die eingebrachte Energiemenge steht also voll, ausgenommen 

von Transportverlusten, für die Beheizung zur Verfügung. 

Die Ergebnisse in der Zusammenfassung ‚Energy used by zone’ beinhalten den 

Energiebedarf für Heizung und Kühlung, die vom System zurückgewonnene Ener- 

gie, den aufgeteilten Energiebedarf für zentrale Geräte, wie die Lüfter und Pumpen 

sowie den Energieverbrauch für Kunstlicht und Geräte. Negative oder sehr kleine


Werte bei den Werten für Heizung und Kühlung sind möglicherweise auf numeri- 

sche Instabilitäten bei der Berechnung zurückzuführen. 

Bei der Zusammenfassung unter ‚Free energy’ werden die Energieströme erfasst, 

die in den Zonen produziert oder über die Gebäudehülle und die Lüftung transportiert 

werden. Beim Wärmetransport über die Gebäudehülle wird nach der Transmis- 

sion über Wände und Fenster unterschieden. Des weiteren gibt es eine Erfassung 

für die Verluste infolge Infiltration und geöffnete Fenster. Vorerst werden die Fenster 

als permanent geschlossen eingegeben. Für die Infiltration über Leckagen muss 

programmbedingt ein Wert größer Null gegeben sein. Dieser ist mit 0,001 m² sehr 

klein angesetzt worden, weil die Einflüsse praktisch vernachlässigt werden sollen. 

Als Wärmeströme in die Zone hinein sind die direkten und indirekten solaren Wär- 

megewinne sowie die Wärme, die von den Nutzern produziert wird, einbezogen. 

In der Tabelle ‚Worklost’ sind sogenannte ‚verlorene Stunden’ aufgetragen. Diese 

Werte geben den Verlust an Arbeitszeit an, wenn die Temperaturen außerhalb eines 

bestimmten Bereiches liegen. Es wird davon ausgegangen, dass der Verlust an Ar- 

beitszeit bei 2% pro °C liegt, wenn die operative Temperatur größer als 25 °C oder 

kleiner als 20 °C ist. Die verminderte Arbeitsleistung wird dann als Verlust an Ar- 

beitszeit ausgedrückt. Damit erfolgt indirekt auch eine Aussage über das Wohlbefin- 

den der Nutzer. 

Für die Grundvariante sei exemplarisch das Diagramm für die vom Kessel und von 

der Kältemaschine an die Zonen abgegebene Leistung aufgeführt. Für die Kühlung 

wird die Leistungsbegrenzung deutlich, weil in den Sommermonaten die Leistung 

beim vorgegeben Wert abgeschnitten wird. Dieses Verhalten ist bei allen Varianten 

erkennbar. 

Die Angaben zu den Kosten [€] der Grundvariante, der Variante 1 und der Variante 

4 in den Ausgabetabellen sind falsch, weil für die Berechnungen falsche Ansätze zu 

Grunde gelegt wurden. Die Verbrauchswerte sind aber korrekt.


Project Data 

IDA Indoor Climate and Energy 

vers. 3.00 

License: ICE30:01DEC/C0TG 

Simulated by Swen Klauß 

Date 26.10.2001 18:07:20 

Project name GRUNDVARIANTE 

Customer 

Description 

Location Trier 

Climate Trier 

Simulation type Dynamic simulation 

Simulation period 2001-01-01 - 2001-12-31 

Simulation Results 

Power supplied by plant 

W 

16000.0 

14000.0 

12000.0 

10000.0 

8000.0 

6000.0 

4000.0 

2000.0 

0.0 

Entire simulation: from 2001-01-01 to 2001-12-31 

0. 1000. 2000. 3000. 4000. 5000. 6000. 7000. 8000. 

Cooling power to zones, W 

AHU cooling coil power, W 

AHU heating coil power, W 

Heating power to zones, W


Purchased energy 

Electric energy 

Primary energy 

Month 

Central (HVAC systems) 

Consumption Cost 

Local (zones) 


(fuel heating value) 


(kWh) (€) (kWh) (€) (kWh) (€) 

1. 126.60 22.17 2747.00 418.30 4847.00 185.50 

2. 166.30 27.88 2396.00 365.10 3584.00 137.90 

3. 303.90 48.98 2639.00 402.00 1891.00 74.95 

4. 1931.00 294.90 2504.00 381.50 393.90 18.84 

5. 3902.00 593.10 2761.00 420.50 4.95 4.43 

6. 4065.00 617.50 2505.00 381.70 0.00 4.11 

7. 5017.00 761.50 2639.00 402.00 0.00 4.25 

8. 5028.00 763.30 2756.00 419.70 0.00 4.25 

9. 3915.00 594.90 2401.00 365.90 0.00 4.11 

10. 1151.00 177.10 2756.00 419.80 417.90 19.88 

11. 189.80 31.62 2627.00 400.10 2300.00 90.12 

12. 101.10 18.30 2514.00 383.20 4694.00 179.80 

Total 25896.70 3951.25 31245.00 4759.80 18132.75 728.13 

Energy used by zone [kWh], contributions by source 

Month 

1.00 

2.00 

3.00 

4.00 

5.00 

6.00 

7.00 

8.00 

9.00 

10.00 

11.00 

12.00 

Energy delivered 

by room units 

Energy delivered or re- 

covered 

by central air handling 

units 

Energy used, other than via 

mechanical heating or cooling 

Heat Cooling Heat Cooling Recovery Fans Pumps Equipment Lighting 

4853.00 

3584.00 

1895.00 

394.50 

4.81 

-0.27 

-0.20 

0.25 

0.32 

418.30 

2305.00 

4699.00 

24.22 

77.04 

205.70 

1838.00 

3798.00 

3969.00 

4915.00 

4922.00 

3823.00 

1048.00 

91.28 

6.55 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.03 

0.06 

0.41 

0.75 

0.68 

0.75 

0.19 

0.23 

0.70 

0.99 

0.39 

0.11 

109.80 

54.42 

20.61 

5.20 

0.00 

0.00 

-0.00 

-0.00 

-0.00 

0.28 

27.05 

84.80 

98.38 

86.08 

95.62 

92.06 

103.20 

94.23 

99.96 

104.60 

90.27 

101.30 

95.28 

90.05 

3.94 

3.11 

2.19 

0.91 

0.84 

0.89 

1.10 

1.10 

0.87 

0.85 

2.80 

4.16 

1063.00 

927.00 

1021.00 

968.50 

1068.00 

969.00 

1021.00 

1066.00 

928.80 

1066.00 

1016.00 

972.60 

1684.00 

1469.00 

1618.00 

1535.00 

1693.00 

1536.00 

1618.00 

1690.00 

1472.00 

1690.00 

1611.00 

1542.00 

Total 18153.71 24717.79 0.00 5.29 302.15 1151.03 22.75 12086.90 19158.00


Lost work, due to under or over heating 

Month 

1. 

2. 

3. 

4. 

5. 

6. 

7. 

8. 

9. 

10. 

11. 

12. 

Total Working 

Hours 

6808.00 

5940.00 

6540.00 

6206.00 

6844.00 

6209.00 

6541.00 

6832.00 

5951.00 

6832.00 

6512.00 

6232.00 

Lost Working 

Hours 

43.48 

41.26 

19.84 

153.90 

430.60 

460.90 

761.60 

768.90 

448.50 

77.08 

15.52 

43.05 

Total 77447.00 3264.63 

Free energy [kWh], total for all zones 

Transported through envelope Within 

zones 

Month Wall 

Window 

Transmission 

Transmission 

Cold bridges 

Ventilation 

(not always 

free) 

Infiltration & 

Openings 

Solar, 

direct 

and indirect 

Heat (incl. 

latent) 

from 

occupants 

1. 

2. 

3. 

4. 

5. 

6. 

7. 

8. 

9. 

10. 

11. 

12. 

4121.66 

2179.37 

1710.41 

934.89 

772.29 

147.40 

352.19 

1149.16 

2247.54 

2640.00 

2793.07 

3018.98 

-6429.80 

-5550.80 

-5543.00 

-5173.52 

-5268.64 

-4589.48 

-4906.72 

-4626.14 

-4566.22 

-5040.53 

-5095.00 

-5898.90 

-1397.10 

-1164.68 

-1138.71 

-914.59 

-919.80 

-756.65 

-877.05 

-910.23 

-849.40 

-1107.54 

-1111.30 

-1247.57 

-983.19 

-842.03 

-840.58 

-799.84 

-839.96 

-732.92 

-786.70 

-752.21 

-737.55 

-782.79 

-779.66 

-893.49 

2022.53 

3121.05 

4512.68 

8943.50 

10299.60 

10122.80 

11416.50 

9313.40 

7847.20 

4676.03 

2423.42 

1452.18 

871.93 

760.20 

824.64 

778.06 

857.44 

777.81 

819.41 

855.84 

745.60 

856.16 

822.15 

799.65 

Total 22066.96 -62688.75 -12394.62 -9770.92 76150.89 9768.89


Project Data 

Project name VARIANTE 1 – Außenwand mit nur 10 cm Dämmung und 2- 

Customer 

Description 


Climate Trier 

Scheiben-Wärmeschutzverglasung 







Month 



Local (zones) 




(kWh) (€) (kWh) (€) (kWh) (€) 

1. 110.30 19.71 2749.00 418.70 6756.00 256.90 

2. 128.70 22.19 2396.00 365.00 5211.00 198.70 

3. 230.80 37.92 2625.00 399.90 3060.00 118.70 

4. 1786.00 273.00 2518.00 383.70 687.20 29.81 

5. 3814.00 579.80 2761.00 420.40 32.66 5.47 

6. 4043.00 614.20 2517.00 383.50 0.00 4.11 

7. 5038.00 764.80 2636.00 401.60 0.00 4.24 

8. 5044.00 765.60 2745.00 418.00 0.00 4.25 

9. 3842.00 583.80 2394.00 364.90 0.00 4.11 

10. 862.60 133.40 2753.00 419.20 793.50 33.92 

11. 142.90 24.54 2629.00 400.40 3523.00 135.90 

12. 108.50 19.92 2853.00 434.90 7373.00 280.70 

Total 25150.80 3838.88 31576.00 4810.20 27436.36 1076.81



Month 

1.00 

2.00 

3.00 

4.00 

5.00 

6.00 

7.00 

8.00 

9.00 

10.00 

11.00 

12.00 


by room units 


covered 


units 




6761.00 

5211.00 

3070.00 

687.20 

32.67 

-0.35 

-0.24 

0.31 

0.38 

794.50 

3540.00 

7394.00 

5.25 

37.40 

132.20 

1695.00 

3710.00 

3946.00 

4937.00 

4938.00 

3750.00 

759.20 

43.47 

-1.78 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.03 

0.06 

0.41 

0.74 

0.63 

0.66 

0.11 

0.18 

0.65 

0.99 

0.39 

0.12 

112.70 

55.43 

20.36 

5.15 

0.00 

0.00 

0.00 

-0.00 

-0.00 

0.26 

27.21 

85.54 

98.22 

85.86 

94.96 

92.54 

103.20 

94.73 

100.00 

104.30 

90.09 

101.10 

95.17 

102.00 

4.55 

3.83 

3.26 

1.19 

0.86 

0.89 

1.11 

1.11 

0.87 

1.35 

3.76 

5.40 

1063.00 

926.80 

1015.00 

974.20 

1068.00 

973.80 

1020.00 

1062.00 

926.20 

1065.00 

1017.00 

1104.00 

1686.00 

1469.00 

1609.00 

1544.00 

1693.00 

1544.00 

1616.00 

1683.00 

1468.00 

1688.00 

1612.00 

1749.00 

Total 27490.48 23951.74 0.00 4.98 306.64 1162.17 28.18 12215.00 19361.00 


Month 

1. 

2. 

3. 

4. 

5. 

6. 

7. 

8. 

9. 

10. 

11. 

12. 

Total Working 

Hours 

6814.00 

5939.00 

6506.00 

6242.00 

6843.00 

6240.00 

6534.00 

6804.00 

5935.00 

6824.00 

6516.00 

7072.00 

Lost Working 

Hours 

72.66 

57.47 

23.16 

144.60 

429.50 

477.70 

835.20 

821.10 

468.40 

52.15 

24.65 

75.76 

Total 78269.00 3482.35



Month Wall 

Transmission 

Cold bridges 

1. 

2. 

3. 

4. 

5. 

6. 

7. 

8. 

9. 

10. 

11. 

12. 

2332.33 

1621.05 

1530.67 

1248.41 

1237.94 

744.33 

1118.96 

1629.04 

2147.15 

2098.72 

2112.16 

3499.83 


zones 

Window 

Transmission Ventilation 

(not always 

free) 


Openings 

Solar, 

direct 

and indirect 

Heat (incl. 

latent) 

from 

occupants 

-9414.30 

-8218.80 

-8446.40 

-8533.50 

-8952.50 

-7972.70 

-8856.70 

-8149.00 

-7734.10 

-7775.90 

-7542.70 

-9983.20 

-1263.52 

-1028.85 

-1003.90 

-830.69 

-857.64 

-731.64 

-901.02 

-938.75 

-858.38 

-1042.45 

-1010.28 

-1280.83 

-914.00 

-780.92 

-791.49 

-784.11 

-844.02 

-748.29 

-833.02 

-789.54 

-753.21 

-749.33 

-728.30 

-961.53 

2807.03 

4146.18 

6215.90 

12055.10 

13755.60 

13628.30 

15487.80 

12616.40 

10592.70 

6287.30 

3368.20 

2281.14 

893.59 

773.60 

824.73 

783.38 

857.31 

781.77 

818.59 

852.37 

743.50 

855.69 

829.52 

927.99 

Total 21320.58 -101579.80 -11747.97 -9677.76 103241.65 9942.04


Project Data 

Project name VARIANTE 2 – Grundvariante mit Luftwechselrate 0,8 

Customer 

Description 


Climate Trier 







Month 



Local (zones) 




(kWh) (DM) (kWh) (DM) (kWh) (DM) 

1. 149.90 19.19 2756.00 352.70 5518.00 400.00 

2. 165.80 21.22 2398.00 306.90 4176.00 302.80 

3. 251.70 32.22 2628.00 336.40 2408.00 174.60 

4. 1663.00 212.80 2515.00 321.90 535.90 38.85 

5. 3626.00 464.10 2756.00 352.70 40.71 2.95 

6. 3834.00 490.80 2516.00 322.00 0.00 0.00 

7. 4996.00 639.50 2646.00 338.70 0.00 0.00 

8. 4951.00 633.70 2753.00 352.40 0.00 0.00 

9. 3655.00 467.90 2392.00 306.20 0.00 0.00 

10. 897.40 114.90 2753.00 352.40 635.30 46.06 

11. 179.30 22.95 2634.00 337.20 2820.00 204.40 

12. 150.70 19.28 2863.00 366.50 6070.00 440.00 

Total 24519.80 3138.56 31610.00 4046.00 22203.91 1609.66



Month 

1.00 

2.00 

3.00 

4.00 

5.00 

6.00 

7.00 

8.00 

9.00 

10.00 

11.00 

12.00 


by room units 


covered 


units 




5518.00 

4176.00 

2414.00 

537.70 

40.58 

-0.28 

-0.16 

0.24 

0.31 

635.90 

2822.00 

6083.00 

7.29 

41.63 

115.50 

1532.00 

3480.00 

3701.00 

4855.00 

4803.00 

3528.00 

754.00 

42.13 

1.17 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.03 

0.06 

0.41 

0.82 

0.85 

0.94 

0.31 

0.43 

0.87 

1.01 

0.40 

0.12 

130.50 

64.17 

23.92 

5.97 

0.00 

-0.00 

-0.00 

-0.00 

-0.00 

0.31 

31.76 

99.09 

138.00 

120.40 

133.10 

129.10 

143.70 

132.10 

139.80 

145.70 

125.50 

141.30 

133.50 

143.50 

4.29 

3.51 

2.73 

1.00 

0.80 

0.83 

1.08 

1.08 

0.81 

1.10 

3.32 

5.19 

1066.00 

927.60 

1017.00 

972.80 

1066.00 

973.20 

1024.00 

1065.00 

925.40 

1065.00 

1019.00 

1108.00 

1690.00 

1470.00 

1612.00 

1542.00 

1690.00 

1543.00 

1622.00 

1688.00 

1467.00 

1688.00 

1615.00 

1756.00 

Total 22227.29 22860.71 0.00 6.25 355.72 1625.70 25.74 12229.00 19383.00 


Month 

1. 

2. 

3. 

4. 

5. 

6. 

7. 

8. 

9. 

10. 

11. 

12. 

Total Working 

Hours 

6831.00 

5944.00 

6515.00 

6233.00 

6831.00 

6236.00 

6559.00 

6824.00 

5930.00 

6825.00 

6529.00 

7098.00 

Lost Working 

Hours 

54.25 

46.59 

20.26 

114.00 

345.30 

381.30 

629.70 

623.40 

358.90 

46.20 

19.51 

54.58 

Total 78355.00 2693.99




zones 

Month Wall 

Window 

Transmission 

Transmission 

Cold bridges 

Ventilation 

(not always 

free) 


Openings 

Solar, 

direct 

and indirect 

Heat (incl. 

latent) 

from 

occupants 

1. 

2. 

3. 

4. 

5. 

6. 

7. 

8. 

9. 

10. 

11. 

12. 

4071.20 

2139.76 

1645.41 

888.12 

717.78 

89.45 

275.32 

1053.21 

2208.32 

2573.09 

2728.40 

4875.70 

-6354.00 

-5485.50 

-5467.40 

-5128.78 

-5201.30 

-4535.02 

-4751.22 

-4421.65 

-4468.13 

-4943.17 

-5017.54 

-6767.70 

-1483.14 

-1233.65 

-1201.47 

-966.63 

-943.66 

-772.32 

-877.84 

-890.65 

-853.74 

-1133.67 

-1166.83 

-1507.17 

-1862.50 

-1573.48 

-1576.94 

-1491.76 

-1588.82 

-1363.45 

-1513.33 

-1434.57 

-1338.12 

-1493.17 

-1470.07 

-1912.48 

2004.99 

3111.85 

4538.41 

9022.30 

10453.60 

10286.40 

11518.80 

9431.60 

7969.60 

4697.72 

2439.99 

1611.25 

880.64 

764.53 

824.08 

782.05 

855.79 

781.25 

821.69 

854.82 

742.84 

855.35 

826.97 

914.37 

Total 23265.75 -62541.41 -13030.77 -18618.69 77086.51 9904.38


Project Data 

Project name VARIANTE 3 – Grundvariante mit Luftwechselrate von 0,3 

Customer 

Description 


Climate Trier 







Month 



Local (zones) 




(kWh) (DM) (kWh) (DM) (kWh) (DM) 

1. 105.10 13.45 2756.00 352.70 4494.00 325.80 

2. 158.60 20.30 2396.00 306.70 3300.00 239.20 

3. 325.50 41.67 2636.00 337.40 1629.00 118.10 

4. 2059.00 263.50 2514.00 321.80 319.80 23.19 

5. 4099.00 524.60 2758.00 353.00 0.03 0.00 

6. 4189.00 536.30 2516.00 322.10 0.00 0.00 

7. 5031.00 643.90 2639.00 337.80 0.00 0.00 

8. 5034.00 644.30 2760.00 353.30 0.00 0.00 

9. 4123.00 527.70 2396.00 306.70 0.00 0.00 

10. 1286.00 164.60 2756.00 352.70 302.40 21.92 

11. 192.20 24.60 2638.00 337.70 2034.00 147.50 

12. 

94.71 12.12 2869.00 367.20 4966.00 360.10 

Total 26697.11 3417.04 31634.00 4049.10 17045.23 1235.81



Month 

1.00 

2.00 

3.00 

4.00 

5.00 

6.00 

7.00 

8.00 

9.00 

10.00 

11.00 

12.00 


by room units 


covered 


units 




4494.00 

3300.00 

1629.00 

319.70 

-0.11 

-0.30 

-0.20 

0.26 

0.37 

302.90 

2034.00 

4976.00 

28.96 

92.49 

253.10 

1989.00 

4022.00 

4118.00 

4956.00 

4955.00 

4055.00 

1210.00 

119.00 

14.45 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.03 

0.06 

0.41 

0.71 

0.54 

0.61 

0.09 

0.13 

0.55 

0.96 

0.40 

0.12 

102.80 

50.83 

18.91 

4.76 

0.00 

0.00 

-0.00 

-0.00 

-0.00 

0.25 

25.29 

78.00 

72.35 

63.11 

70.07 

67.84 

75.66 

69.53 

73.43 

76.99 

66.19 

74.38 

70.23 

75.41 

3.68 

2.90 

1.92 

0.87 

0.89 

0.92 

1.11 

1.11 

0.92 

0.72 

2.54 

4.56 

1066.00 

927.00 

1020.00 

972.50 

1067.00 

973.40 

1021.00 

1068.00 

927.00 

1066.00 

1021.00 

1110.00 

1690.00 

1469.00 

1616.00 

1541.00 

1691.00 

1543.00 

1618.00 

1692.00 

1469.00 

1690.00 

1618.00 

1759.00 

Total 17055.62 25813.00 0.00 4.61 280.84 855.19 22.15 12238.90 19396.00 


Month 

1. 

2. 

3. 

4. 

5. 

6. 

7. 

8. 

9. 

10. 

11. 

12. 

Total Working 

Hours 

6831.00 

5940.00 

6534.00 

6232.00 

6836.00 

6237.00 

6541.00 

6842.00 

5940.00 

6831.00 

6540.00 

7111.00 

Lost Working 

Hours 

42.13 

40.95 

21.20 

178.90 

495.60 

530.10 

866.30 

875.80 

518.90 

96.45 

15.41 

41.23 

Total 78415.00 3722.97




zones 

Month Wall 

Window 

Transmission 

Transmission 

Cold bridges 

Ventilation 

(not always 

free) 


Openings 

Solar, 

direct 

and indirect 

Heat (incl. 

latent) 

from 

occupants 

1. 

2. 

3. 

4. 

5. 

6. 

7. 

8. 

9. 

10. 

11. 

12. 

4127.81 

2200.21 

1725.14 

955.54 

803.48 

159.89 

427.76 

1211.42 

2330.79 

2684.07 

2841.47 

4996.88 

-6540.90 

-5668.30 

-5681.70 

-5366.94 

-5533.91 

-4849.38 

-5274.50 

-4967.68 

-4845.28 

-5206.70 

-5223.39 

-6997.20 

-1195.55 

-990.02 

-968.41 

-777.92 

-792.21 

-655.75 

-787.30 

-828.10 

-754.73 

-965.96 

-955.35 

-1220.88 

-654.88 

-568.14 

-561.62 

-539.97 

-563.11 

-499.26 

-517.28 

-490.11 

-514.97 

-511.94 

-518.76 

-712.62 

2017.10 

3117.07 

4528.44 

9039.30 

10468.20 

10350.00 

11622.90 

9488.70 

7986.60 

4698.47 

2431.55 

1630.20 

874.12 

759.59 

823.19 

781.24 

856.35 

781.42 

819.40 

857.15 

744.15 

855.89 

825.13 

909.10 

Total 24464.47 -66155.88 -10892.19 -6652.66 77378.53 9886.73


Project Data 

Project name VARIANTE 4 – umgekehrtes Lüftungsprinzip, Zuluft in die Büro- 

Customer 

Description 


Climate Trier 


und Experimentalbereiche, Abluft zentral 






Month 



Local (zones) 




(kWh) (€) (kWh) (€) (kWh) (€) 

1. 

92.55 17.02 2756.00 419.70 4900.00 187.50 

2. 128.40 22.15 2396.00 365.10 3558.00 136.90 

3. 244.70 40.01 2632.00 401.00 1762.00 70.14 

4. 1907.00 291.30 2516.00 383.30 314.60 15.88 

5. 4109.00 624.30 2756.00 419.70 3.92 4.39 

6. 4221.00 641.10 2516.00 383.40 0.00 4.11 

7. 5032.00 763.80 2636.00 401.60 0.00 4.24 

8. 5039.00 764.90 2756.00 419.70 0.00 4.25 

9. 4184.00 635.50 2396.00 365.30 0.00 4.11 

10. 1159.00 178.30 2756.00 419.70 274.80 14.52 

11. 150.70 25.72 2636.00 401.50 2125.00 83.59 

12. 

84.55 16.29 2866.00 436.90 5292.00 202.90 

Total 26351.90 4020.39 31618.00 4816.90 18230.32 732.54



Month 

1.00 

2.00 

3.00 

4.00 

5.00 

6.00 

7.00 

8.00 

9.00 

10.00 

11.00 

12.00 


by room units 


covered 


units 




4900.00 

3559.00 

1765.00 

314.40 

3.83 

-0.32 

-0.24 

0.26 

0.38 

275.40 

2126.00 

5303.00 

14.26 

60.50 

170.50 

1837.00 

4030.00 

4148.00 

4956.00 

4959.00 

4115.00 

1082.00 

75.79 

2.03 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.00 

0.03 

0.06 

0.41 

0.74 

0.55 

0.61 

0.09 

0.09 

0.54 

0.98 

0.40 

0.12 

63.93 

31.52 

11.68 

2.94 

0.00 

0.00 

0.00 

-0.00 

-0.00 

0.15 

15.56 

48.59 

74.11 

64.59 

71.53 

69.33 

77.20 

70.94 

74.93 

78.53 

67.64 

76.09 

71.75 

77.17 

4.03 

3.24 

2.20 

0.87 

0.91 

0.94 

1.11 

1.11 

0.95 

0.68 

2.80 

4.91 

1066.00 

927.00 

1018.00 

973.30 

1066.00 

973.40 

1020.00 

1066.00 

927.00 

1066.00 

1020.00 

1109.00 

1690.00 

1469.00 

1614.00 

1543.00 

1690.00 

1543.00 

1616.00 

1690.00 

1469.00 

1690.00 

1616.00 

1757.00 

Total 18246.72 25450.08 0.00 4.62 174.37 873.81 23.76 12231.70 19387.00 


Month 

1. 

2. 

3. 

4. 

5. 

6. 

7. 

8. 

9. 

10. 

11. 

12. 

Total Working 

Hours 

6831.00 

5940.00 

6524.00 

6237.00 

6831.00 

6237.00 

6534.00 

6831.00 

5940.00 

6831.00 

6534.00 

7104.00 

Lost Working 

Hours 

51.17 

45.95 

21.17 

159.80 

470.60 

515.80 

863.00 

893.60 

520.40 

86.03 

18.32 

50.85 

Total 78374.00 3696.69




zones 

Month Wall 

Window 

Transmission 

Transmission 

Cold bridges 

Ventilation 

(not always 

free) 


Openings 

Solar, 

direct 

and indirect 

Heat (incl. 

latent) 

from 

occupants 

1. 

2. 

3. 

4. 

5. 

6. 

7. 

8. 

9. 

10. 

11. 

12. 

2098.06 

1448.41 

1374.68 

1097.02 

1087.67 

608.10 

952.97 

1476.17 

2033.72 

1989.33 

1998.62 

3321.77 

-6430.80 

-5580.30 

-5601.90 

-5318.50 

-5500.80 

-4842.87 

-5285.10 

-5030.50 

-4878.50 

-5191.50 

-5152.40 

-6888.80 

-986.80 

-866.90 

-894.16 

-843.39 

-924.24 

-809.09 

-968.43 

-985.53 

-826.45 

-909.63 

-840.45 

-1012.82 

-1526.80 

-1307.28 

-1324.81 

-1283.90 

-1403.93 

-1230.75 

-1399.29 

-1363.11 

-1241.97 

-1301.84 

-1240.79 

-1595.22 

2024.70 

3119.95 

4541.74 

9028.60 

10461.00 

10335.10 

11610.00 

9480.50 

7982.50 

4701.86 

2437.81 

1631.46 

878.32 

762.56 

824.02 

782.14 

855.79 

781.42 

818.59 

855.79 

744.15 

856.03 

826.36 

912.50 

Total 19486.50 -65701.97 -10867.90 -16219.69 77355.22 9897.67

Diplomarbeit II - ZUB

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