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Neuausgabe <strong>de</strong>r VDI-Kühllastregeln -VDI 2078/1993-<br />

Erläuterungen zum EDV-Verfahren<br />

Gewidmet Dr. rer. nat. Matthias Jakob!<br />

Dr.-Ing. Axel Jahn, Dipl.-Ing. Norbert Nadler, Dr.-Ing. Jianxiong Guo<br />

In <strong>de</strong>r Neuausgabe <strong>de</strong>r VDI 2078 "Berechnung <strong>de</strong>r Kühllast klimatisierter Räume (VDI-<br />

Kühllastregeln)" wird neben <strong>de</strong>r Handrechenmetho<strong>de</strong> (Kurzverfahren) erstmals ein EDV-<br />

Verfahren vorgestellt, welches die Algorithmen für die Bearbeitung auf einem Computer<br />

festlegt. Das wesentliche Unterscheidungsmerkmal <strong>de</strong>s EDV-Verfahrens <strong>de</strong>r Neuausgabe zur<br />

früheren Ausgabe <strong>de</strong>r VDI-Richtlinie ist dabei die freie Vorgabe <strong>de</strong>r zeitlichen Belastungsverläufe.<br />

Bisher konnte in <strong>de</strong>r Kühllastberechnung nur mit festgelegten Belastungsverläufen<br />

und einer weitgehen<strong>de</strong>n Übereinstimmung <strong>de</strong>r Bauart gearbeitet wer<strong>de</strong>n. Es war z.B. nicht<br />

möglich, die Kühllast unter Berücksichtigung wan<strong>de</strong>rn<strong>de</strong>r Schatten, unterbrochener<br />

Betriebsweise, begrenzter Kühlleistung und vom Sollwert abweichen<strong>de</strong>r Raumlufttemperatur<br />

mit ausreichen<strong>de</strong>r Genauigkeit zu ermitteln. Durch das EDV-Verfahren erfolgt eine<br />

Auftrennung in die vom Planer <strong>de</strong>finierte Belastung und in das weiterhin von <strong>de</strong>r Richtlinie<br />

vorgegebene thermisch-dynamische Verhalten <strong>de</strong>s Baukörpers. Gegenüber <strong>de</strong>r früheren<br />

Ausgabe sind in <strong>de</strong>r neuen VDI 2078 zwei weitere Raumtypen hinzugekommen. Die<br />

bisherigen thermischen Bauschweren, Bauart I jetzt Raumtyp L und Bauart II jetzt Raumtyp<br />

M, wur<strong>de</strong>n durch eine leichtere Bauart Raumtyp XL und eine schwerere Bauart Raumtyp S<br />

ergänzt.<br />

<strong>Aufgabenstellung</strong><br />

Bei <strong>de</strong>r Entwicklung <strong>de</strong>s EDV-Verfahrens stand eine möglichst einfache und PC-taugliche Metho<strong>de</strong><br />

im Vor<strong>de</strong>rgrund. Im Hinblick auf eine Jahresrechnung sollte das Verfahren auch mit geringen<br />

Rechenzeiten und Speicherplätzen auskommen. Die gefor<strong>de</strong>rte Genauigkeit richtete sich nach <strong>de</strong>r in<br />

<strong>de</strong>r Praxis umsetzbaren Ausführung <strong>de</strong>s Baukörpers, <strong>de</strong>r Anlagen und nach <strong>de</strong>n verfügbaren Eingabedaten.<br />

Das Verfahren erhebt nicht <strong>de</strong>n Anspruch einer Computersimulation <strong>de</strong>s Gebäu<strong>de</strong>s.<br />

Insofern stellt es nur eine Ergänzung <strong>de</strong>s Kurzverfahrens hinsichtlich <strong>de</strong>r frei wählbaren Randbedingungen<br />

dar. Das vorrangige Ziel <strong>de</strong>s EDV-Verfahrens ist weiterhin die Berechnung <strong>de</strong>r Kühllast<br />

zur Anlagendimensionierung. Darüber hinaus wird eine Metho<strong>de</strong> angegeben, mit <strong>de</strong>r die sich einstellen<strong>de</strong><br />

Raumlufttemperatur bei begrenzter Kühlleistung für die Typräume ermitteln läßt.


CSE Nadler Neuausgabe <strong>de</strong>r VDI-Kühllastregeln -VDI 2078/1993- Seite 2<br />

Jahn, Nadler, Guo Erläuterungen zum EDV-Verfahren GI (1993) Nr. 3, S. 117 - 126<br />

Für einen exakten Übergang vom Zustand aufgeprägten Raumklimas zum freischwingen<strong>de</strong>n<br />

Zustand sind die in <strong>de</strong>n früheren Ausgaben <strong>de</strong>r VDI 2078 verwen<strong>de</strong>ten Verfahren nicht geeignet. Es<br />

ist daher ein Algorithmus erfor<strong>de</strong>rlich, <strong>de</strong>r ausschließlich im Zeitbereich arbeitet.<br />

Als beson<strong>de</strong>rs geeignet für die vorliegen<strong>de</strong> <strong>Aufgabenstellung</strong> erwies sich die sog. Gewichtsfaktorenmetho<strong>de</strong>.<br />

Hierbei wer<strong>de</strong>n die zurückliegen<strong>de</strong>n Ereignisse entsprechend ihrer Entfernung vom<br />

aktuellen Zustand entsprechend gewichtet. Durch die Verwendung einer rekursiven Form konnte die<br />

Anzahl <strong>de</strong>r notwendigen Faktoren erheblich reduziert wer<strong>de</strong>n.<br />

Die Gewichtsfaktorenmetho<strong>de</strong> läßt sich auf lineare, zeitinvariante Übertragungssysteme anwen<strong>de</strong>n.<br />

Zum besseren Verständnis dieser wichtigen Voraussetzung wird zuerst kurz auf einige Begriffe <strong>de</strong>r<br />

Systemtheorie eingegangen. Grundkenntnisse <strong>de</strong>r Kühllastberechnung wer<strong>de</strong>n allerdings vorausgesetzt.<br />

Hier nicht näher erläuterte Bezeichnungen sind in <strong>de</strong>r VDI 2078 enthalten.<br />

Übertragungssysteme<br />

Als Übertragungssystem wird hier ein technisches System <strong>de</strong>finiert, bei <strong>de</strong>m eine Aktion am<br />

Eingang eine Reaktion am Ausgang <strong>de</strong>s Systems bewirkt.<br />

<br />

u(t)<br />

Übertragungssystem<br />

y(t)<br />

Bild 1: Übertragungssystem mit einer Eingangsgröße u und einer Ausgangsgröße y.<br />

Liegt eine zeitlich verän<strong>de</strong>rliche Eingangsgröße (Aktion) vor, spricht man von einer Eingangszeitfunktion<br />

u(t). Als Reaktion erhält man eine entsprechen<strong>de</strong> Ausgangszeitfunktion y(t). Bei trägheitsbehafteten<br />

Übertragungsglie<strong>de</strong>rn wird sich die Ausgangszeitfunktion durch eine Dämpfung und eine<br />

zeitliche Verschiebung von <strong>de</strong>r Eingangszeitfunktion unterschei<strong>de</strong>n.<br />

Als Übertragungssystem kann beispielsweise eine Außenwand betrachtet wer<strong>de</strong>n. Aktionsgröße<br />

wäre z.B. die Außentemperatur, Reaktionsgröße z.B. <strong>de</strong>r Wärmestrom auf <strong>de</strong>r Innenseite <strong>de</strong>r Wand.<br />

Dämpfung und Zeitverschiebung zwischen Ein- und Ausgang wer<strong>de</strong>n durch die Fähigkeit <strong>de</strong>s<br />

Systems zur Wärmespeicherung hervorgerufen. Neben <strong>de</strong>r Masse und <strong>de</strong>r spezifischen Wärmekapazität<br />

wird bei Wän<strong>de</strong>n auch die Anordnung <strong>de</strong>r Schichten, wie Wärmedämm- o<strong>de</strong>r Luft-


CSE Nadler Neuausgabe <strong>de</strong>r VDI-Kühllastregeln -VDI 2078/1993- Seite 3<br />

Jahn, Nadler, Guo Erläuterungen zum EDV-Verfahren GI (1993) Nr. 3, S. 117 - 126<br />

schichten, einen wesentlichen Einfluß auf die Speicherfähigkeit ausüben (z.B. abge<strong>de</strong>ckte Speichermassen<br />

!).<br />

Ein Beispiel für ein trägheitsloses Übertragungssystem ist z.B. durch einen i<strong>de</strong>al wärmegedämmten<br />

Lüftungskanal gegeben. Eine Temperaturän<strong>de</strong>rung auf <strong>de</strong>r Eingangsseite <strong>de</strong>s Kanals wür<strong>de</strong> ohne<br />

Dämpfung, aber mit einer gewissen Zeitverzögerung entsprechend <strong>de</strong>r Luftgeschwindigkeit auf <strong>de</strong>r<br />

Ausgangsseite spürbar wer<strong>de</strong>n. In diesem Fall spricht man von reinen Totzeitglie<strong>de</strong>rn.<br />

Aus bei<strong>de</strong>n Beispielen ist schon zu erkennen, daß sich die Ausgangsgröße aus <strong>de</strong>m Berechnungsziel<br />

ergibt (Zielgröße z.B. Wärmestrom o<strong>de</strong>r Temperatur). Dagegen wird die Eingangsgröße in <strong>de</strong>r<br />

Regel durch vorhan<strong>de</strong>ne und die Zielgröße beeinflussen<strong>de</strong> Belastungsgrößen bestimmt.<br />

Reale, technische Übertragungssysteme wer<strong>de</strong>n meist durch mehrere Eingangs- und Ausgangsgrößen<br />

beschrieben (sog. Mehrgrößensysteme).<br />

<br />

u () 1<br />

t<br />

y () 1<br />

t<br />

u2 () t<br />

y2 () t<br />

u3 () t<br />

Bild 2: Übertragungssystem mit mehreren Eingangs- und Ausgangsgrößen.<br />

Linearität und Zeitinvarianz<br />

Eine wichtige Voraussetzung für eine mathematische Behandlung von Übertragungssystemen ist die<br />

For<strong>de</strong>rung nach Linearität und Zeitinvarianz. Für lineare Mo<strong>de</strong>lle existiert eine abgerun<strong>de</strong>te<br />

Theorie. Sind sie zusätzlich zeitinvariant, so lassen sie sich auf relativ einfache Weise analytisch<br />

Bild 3: Erläuterung <strong>de</strong>s Überlagerungsprinzips (links) und <strong>de</strong>s Verstärkungsprinzips (rechts)


CSE Nadler Neuausgabe <strong>de</strong>r VDI-Kühllastregeln -VDI 2078/1993- Seite 4<br />

Jahn, Nadler, Guo Erläuterungen zum EDV-Verfahren GI (1993) Nr. 3, S. 117 - 126<br />

lösen.<br />

Lineare Systeme kann man durch das sogenannte Überlagerungsprinzip (Superpositionsprinzip) und<br />

das Verstärkungsprinzip charakterisieren. Als linear bezüglich <strong>de</strong>r Eingangsgrößen wird es dann bezeichnet,<br />

wenn man <strong>de</strong>n Eingangszeitfunktionen<br />

cu() t + cu()<br />

t<br />

1 1 2 2<br />

(c1 und c2<br />

als Systemkoeffizienten) die Ausgangszeitfunktion<br />

yt () = cy() t + c y()<br />

t<br />

1 1 2 2<br />

zuordnen kann (Bild 3). D.h., wenn sich die Gesamtreaktion aus <strong>de</strong>n Teilreaktionen additiv<br />

ermitteln läßt. Dabei könnten u () t und u () t z.B. zwei verschie<strong>de</strong>ne Eingangsgrößen, o<strong>de</strong>r auch<br />

1 2<br />

zwei verschie<strong>de</strong>ne harmonische Schwingungen einer Eingangsgröße darstellen. Die Erweiterung auf<br />

mehrere Eingangsgrößen ist ohne Einschränkung möglich.<br />

Im allgemeinen erhält man bei realen Systemen nichtlineare Mo<strong>de</strong>lle, <strong>de</strong>ren mathematische Behandlung<br />

wesentlich schwieriger ist und keine Aussagen von so großer Allgemeingültigkeit zuläßt.<br />

Unter speziellen Voraussetzungen ist es jedoch erlaubt, nichtlineare Systeme in einem gewissen<br />

Bereich um einen festgelegten Arbeitspunkt mit ausreichen<strong>de</strong>r Genauigkeit durch linerare Systeme<br />

zu ersetzen.<br />

In <strong>de</strong>r Gebäu<strong>de</strong>thermodynamik und <strong>de</strong>r Heiz- und Raumlufttechnik wer<strong>de</strong>n vor allem die<br />

temperaturabhängigen Wärmeübergangskoeffizienten zu Nichtlinearitäten führen. Angesichts <strong>de</strong>r<br />

Unsicherheiten bei <strong>de</strong>r Ermittlung <strong>de</strong>s konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten und <strong>de</strong>r<br />

Spannweite <strong>de</strong>r vorkommen<strong>de</strong>n Temperaturen kann man das Rechnen mit mittleren Koeffizienten<br />

rechtfertigen.<br />

Ein dynamisches System heißt zeitinvariant, wenn bei einer zeitlichen Verschiebung <strong>de</strong>r Eingangszeitfunktion<br />

um ein beliebiges Intervall τ dieselbe Form <strong>de</strong>r Ausgangszeitfunktion, verschoben um<br />

das gleiche Zeitintervall τ , erzeugt wird (vgl. Bild 4). Zeitinvarianz wird durch die Konstanz <strong>de</strong>r<br />

Systemfaktoren (z.B. c und c ) erreicht. Sind solche Faktoren von <strong>de</strong>r Zeit abhängig, muß man<br />

1 2<br />

versuchen, für die zugehörigen Eingangsgrößen entsprechend an<strong>de</strong>re Größen zu wählen.


CSE Nadler Neuausgabe <strong>de</strong>r VDI-Kühllastregeln -VDI 2078/1993- Seite 5<br />

Jahn, Nadler, Guo Erläuterungen zum EDV-Verfahren GI (1993) Nr. 3, S. 117 - 126<br />

1<br />

u(t)<br />

1<br />

u(t-τ)<br />

y(t)<br />

y(t-τ)<br />

0<br />

t 0<br />

Bild 4 : Erläuterung <strong>de</strong>r Zeitinvarianz<br />

τ<br />

t<br />

Soll z.B. die horizontale Direktstrahlung als Eingangsgröße verwen<strong>de</strong>t wer<strong>de</strong>n, so ergibt sich eine<br />

Zeitvarianz bei <strong>de</strong>r notwendigen Umrechnung <strong>de</strong>r Strahlung auf die vertikale Wandfläche (vgl. auch<br />

VDI 2078)<br />

I<br />

cos η( t )<br />

() t = I () t = c() t I () t<br />

sin ht ( )<br />

dir, vert. dir, hor. dir, hor.<br />

<br />

η( t )<br />

h(t)<br />

c(t)<br />

zeitabh. Einfallswinkel <strong>de</strong>r Strahlung<br />

zeitabh. Sonnenhöhe<br />

Systemkoeffizient, hier zeitabhängig<br />

Wählt man dagegen als Eingangsgröße z.B. die von <strong>de</strong>r Wandfläche absorbierte Sonnenstrahlung,<br />

ist die Zeitinvarianz wie<strong>de</strong>r hergestellt. Gleiche Überlegungen müssen auch für die im Raum<br />

wirksame Sonnenstrahlung angestellt wer<strong>de</strong>n. Hier ist die Winkelabhängigkeit <strong>de</strong>s<br />

Transmissionsgra<strong>de</strong>s von Glas zu beachten.<br />

Für die Berechnung <strong>de</strong>r Transmission durch Außenbauteile müssen daher als Eingangsgrößen bei<br />

<strong>de</strong>n nichttransparenten Wän<strong>de</strong>n die außen auftreffen<strong>de</strong> Strahlung und für die transparenten Flächen<br />

die Strahlung hinter <strong>de</strong>r Verglasung angegeben wer<strong>de</strong>n.<br />

Das Problem <strong>de</strong>r Zeitvarianz läßt sich oft durch eine günstige Auswahl <strong>de</strong>r Eingangsgrößen umgehen.<br />

Jedoch erkennt man am vorstehen<strong>de</strong>n Beispiel, daß die Anzahl <strong>de</strong>r Eingangsgrößen damit erhöht<br />

wird. Anstelle <strong>de</strong>r Globalstrahlung <strong>de</strong>r Sonne wird die Sonnenstrahlung auf eine Außenwand<br />

und hinter <strong>de</strong>r Verglasung für die jeweilige Flächenorientierung verwen<strong>de</strong>t.<br />

Bei linearen, zeitinvarianten Systemen läßt sich das Mehrgrößensystem "Raum" in lineare<br />

Eingrößensysteme zerlegen.


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Jahn, Nadler, Guo Erläuterungen zum EDV-Verfahren GI (1993) Nr. 3, S. 117 - 126<br />

Faltungsprinzip und rekursive Filter<br />

<br />

Praktische Be<strong>de</strong>utung erhält die Linearität und Zeitinvarianz auch durch die Möglichkeit, die Reaktion<br />

eines Übertragungsglie<strong>de</strong>s auf ein beliebiges Eingangssignal aus bekannten<br />

Ausgangsfunktionen spezieller Testsignale (Sprung, Impuls, Schwingung usw.) umzurechnen.<br />

Wählt man beispielsweise als Testsignal <strong>de</strong>n Einheitssprung von 0 auf 1, erhält man als Reaktion<br />

die Übergangsfunktion. Der Impuls ist <strong>de</strong>r differenzierte Sprung, folglich ist die Gewichtsfunktion<br />

die differenzierte Übergangsfunktion. Näheres hierzu siehe z.B. bei Jahn [1,2] und Dobesch-<br />

Sulanke [3].<br />

Die Rechenvorschrift für kausale Systeme wird durch das sog. Faltungsintegral <strong>de</strong>finiert<br />

∞<br />

∫<br />

0<br />

( t)<br />

= g(<br />

τ)<br />

u(<br />

t − τ)<br />

dτ<br />

y (1)<br />

yt ( ) Ausgangszeitfunktion<br />

ut ( ) Eingangszeitfunktion<br />

g( t) Gewichtsfunktion (Antwort auf einen Impuls)<br />

t<br />

Berechnungszeitpunkt<br />

Der Begriff "Faltung" erklärt sich aus einer graphischen Lösung <strong>de</strong>r vorstehen<strong>de</strong>n Gleichung.<br />

Im zeitdiskreten Mo<strong>de</strong>ll wird die "Faltungssumme" verwen<strong>de</strong>t<br />

∞<br />

k = ∑ gi<br />

uk−i<br />

= g0<br />

uk<br />

+ g1<br />

uk−1<br />

+ g2<br />

uk−2<br />

+ g3<br />

uk−3<br />

i=<br />

0<br />

+ ...<br />

y (2)<br />

Die Zeitschrittweite ist dabei entsprechend <strong>de</strong>r <strong>Aufgabenstellung</strong> und <strong>de</strong>r Zeitkonstanten <strong>de</strong>s Übertragungssystems<br />

zu wählen. Aus <strong>de</strong>r Faltungssumme ist <strong>de</strong>utlich die Wichtung <strong>de</strong>r zurückliegen<strong>de</strong>n<br />

Eingangswerte zu erkennen. Die Wichtung erfolgt entsprechend <strong>de</strong>r Auswirkung <strong>de</strong>r älteren Eingangswerte<br />

auf <strong>de</strong>n aktuellen Zeitpunkt.<br />

Für träge Systeme kann die notwendige Anzahl von Gewichtsfaktoren sehr groß sein (bis zu 200 bei<br />

Räumen und 1 Stun<strong>de</strong> Zeitschrittweite). In <strong>de</strong>r Systemtheorie haben sich daher die "rekursiven Filter"<br />

durchgesetzt, nicht zuletzt auch wegen <strong>de</strong>r Einführung speicherprogrammierbarer Steuerungen.<br />

Dabei wer<strong>de</strong>n auch die früheren Werte <strong>de</strong>s Ausgangssignals in die Berechnung <strong>de</strong>s gegenwärtigen<br />

Wertes einbezogen. Der Hintergrund dieser Vorgehensweise ist, daß sich in <strong>de</strong>n zurückliegen<strong>de</strong>n


CSE Nadler Neuausgabe <strong>de</strong>r VDI-Kühllastregeln -VDI 2078/1993- Seite 7<br />

Jahn, Nadler, Guo Erläuterungen zum EDV-Verfahren GI (1993) Nr. 3, S. 117 - 126<br />

Ausgangswerten <strong>de</strong>r größte Teil <strong>de</strong>r historischen Entwicklung <strong>de</strong>s Eingangssignalverlaufes wi<strong>de</strong>rspiegelt.<br />

Als ausreichend genau erwies sich in <strong>de</strong>r VDI 2078 die Einbeziehung von vier a-Faktoren für die<br />

Eingangswerte und zwei rekursiven b-Faktoren für die Ausgangswerte mit einer Abtastzeit von<br />

einer Stun<strong>de</strong>. Den Ausgangswert für die Stun<strong>de</strong> k erhält man durch<br />

3<br />

m=<br />

0<br />

2<br />

k− m + bn<br />

yk−n<br />

= a0uk<br />

+ a1u<br />

k−1<br />

+ a2uk−2<br />

+ a3uk−3<br />

+ b1<br />

yk−1<br />

+<br />

n=<br />

1<br />

y k = ∑am<br />

u ∑<br />

b2<br />

yk−2<br />

(3)<br />

Rekursive Filter lassen sich sofort aus <strong>de</strong>r Differenzengleichung, welche sich durch Zeitdiskretisierung<br />

aus <strong>de</strong>r Differentialgleichung für Übertragunssysteme ergibt, ableiten. Durch die Wahl von<br />

zwei b-Faktoren wird das tatsächliche Übertragungsverhalten durch ein Mo<strong>de</strong>ll 2. Ordnung<br />

approximiert.<br />

Das thermische Übertragungssystem Raum<br />

Der Aufbau <strong>de</strong>s EDV-Verfahrens wur<strong>de</strong> unter <strong>de</strong>r Maßgabe gewählt, mit möglichst wenigen<br />

Aktionsgrößen bei ausreichen<strong>de</strong>r Genauigkeit auszukommen. Entsprechend <strong>de</strong>r früheren Ausgabe<br />

<strong>de</strong>r VDI-Richtlinie und <strong>de</strong>m Kurzverfahren wird <strong>de</strong>r Raum weiterhin als adiabat betrachtet. D.h., für<br />

die angrenzen<strong>de</strong>n Räume wird eine gleichartige Temperaturverteilung angenommen. Ein Wärmetransport<br />

über die Innenwän<strong>de</strong> ist bei dieser Annahme nicht vorhan<strong>de</strong>n. Für die Wärmespeicherung<br />

wer<strong>de</strong>n aber Teile <strong>de</strong>r Innenwand <strong>de</strong>m Raum zugeordnet. Die Berücksichtigung angrenzen<strong>de</strong>r<br />

Räume mit an<strong>de</strong>ren Raumlufttemperaturen erfolgt in <strong>de</strong>r VDI 2078 näherungsweise durch eine<br />

Überlagerung <strong>de</strong>r stationären Transmission. Bei nicht-adiabaten Räumen wür<strong>de</strong> je<strong>de</strong> Nachbarraumtemperatur<br />

eine zusätzliche Aktionsgröße darstellen.<br />

Für die vorliegen<strong>de</strong> Aufgabe "Ermittlung <strong>de</strong>r Kühllast in klimatisierten Räumen" wird die<br />

konvektive Wärmelast <strong>de</strong>s Raumes (negative Kühllast) als Reaktionsgröße gewählt. Die<br />

Aktionsgrößen ergeben sich aus einer Wärmebilanz über <strong>de</strong>n Raum. Zu <strong>de</strong>n grundsätzlichen<br />

Aktionsgrößen zählen u.a.:<br />

- die Außenlufttemperatur<br />

- die Raumlufttemperatur<br />

- die absorbierte Sonnenstrahlung auf <strong>de</strong>r Außenseite<br />

- die absorbierte Strahlung innen<br />

- die konvektiven Wärmebelastungen innen


CSE Nadler Neuausgabe <strong>de</strong>r VDI-Kühllastregeln -VDI 2078/1993- Seite 8<br />

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Da die letztgenannte Aktionsgröße direkt, d.h. ohne Dämpfung und Zeitverschiebung, auf die<br />

Reaktionsgröße Wärmelast einwirkt, bezeichnet man sie in <strong>de</strong>r Systemtheorie auch als "Durchgriff".<br />

Bei <strong>de</strong>n konvektiven Wärmebelastungen wird noch in eine aufgeprägte konvektive Wärmebelastung<br />

(unabhängig von <strong>de</strong>r Raumlufttemperatur) und einem konvektiven Wärmepotential (abhängig von<br />

<strong>de</strong>r Raumlufttemperatur) unterschie<strong>de</strong>n. Ein stationärer Transmissionswärmestrom über die Innenwän<strong>de</strong><br />

wird <strong>de</strong>m konvektiven Wärmepotential zugerechnet.<br />

Die an<strong>de</strong>ren Aktionsgrößen wirken auf die Außen- bzw. Innenwän<strong>de</strong> und unterliegen damit <strong>de</strong>r<br />

Wärmespeicherung, für die eine Dämpfung und Zeitverschiebung berücksichtigt wer<strong>de</strong>n muß.<br />

Letztlich wird dadurch immer die maximale Kühllast verringert, sofern die Aktionsgrößen zeitverän<strong>de</strong>rlich<br />

sind.<br />

Da <strong>de</strong>r Transmissionsgrad von Fensterglas vom Einfallswinkel <strong>de</strong>r Sonnenstrahlung und damit von<br />

<strong>de</strong>r Zeit abhängig ist, wird zum Erhalt <strong>de</strong>r Zeitinvarianz als Aktionsgröße die Sonnenstrahlung<br />

hinter <strong>de</strong>n Scheiben verwen<strong>de</strong>t. Weiterhin muß eine konstante Aufteilung <strong>de</strong>r Strahlung auf die<br />

Raumumschließungsflächen gefor<strong>de</strong>rt wer<strong>de</strong>n. Dies ist nach Messungen von Todorovic [4] bei<br />

vorgezogenem Sonnenschutz und durch die Reflexion <strong>de</strong>r Strahlung an <strong>de</strong>n Innenflächen zulässig.<br />

Zur Berücksichtigung <strong>de</strong>r Möblierung im Raum wird nur ein Teil <strong>de</strong>r einfallen<strong>de</strong>n<br />

Strahlungsleistung <strong>de</strong>n Wän<strong>de</strong>n aufgeprägt. Der Rest wird <strong>de</strong>r konvektiven Wärmebelastung<br />

zugeschlagen, siehe Masuch [5].<br />

Neben <strong>de</strong>r Sonnenstrahlung enthält die Aktionsgröße "absorbierte Strahlung innen" auch alle<br />

an<strong>de</strong>ren Strahlungsquellen im Raum, z.B. Beleuchtung, Personen, Maschinen und gesteuerte<br />

Heizflächen. Vereinfachend wird die letztgenannte langwellige Strahlungsquelle als gleichartig <strong>de</strong>r<br />

aufgeprägten Strahlung angesehen. D.h., die Temperaturabhängigkeit <strong>de</strong>r Strahlungsleistung wird<br />

vernachlässigt.<br />

Ähnlich <strong>de</strong>r Behandlung <strong>de</strong>r Sonnenstrahlung ist für die genannten inneren Belastungsgrößen<br />

jeweils eine Aufteilung in einen sofort wirksamen Konvektivanteil und einen speicherfähigen<br />

Strahlungsanteil notwendig.<br />

Bei <strong>de</strong>n Außenflächen läßt sich die absorbierte Sonnenstrahlung und die Außenlufttemperatur zu<br />

einer kombinierten Außentemperatur zusammenfassen. Im Zahlenmaterial für Strahlung hinter<br />

Zweifachverglasung ist jedoch die in <strong>de</strong>n Scheiben absorbierte Strahlung bereits enthalten. Daher<br />

wird für Außenwän<strong>de</strong> die kombinierte Außentemperatur und für die transparenten Flächen<br />

(Glasfläche) die Außenlufttemperatur als Aktionsgröße gewählt.


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Im Hinblick auf eine verän<strong>de</strong>rliche Raumlufttemperatur (gleiten<strong>de</strong> Fahrweise o<strong>de</strong>r einstellend bei<br />

begrenzter Anlagenleistung) zählt auch diese zu <strong>de</strong>n Aktionsgrößen.<br />

Eine Übersicht über die berücksichtigten thermischen Raumbelastungen und ihre Zusammenfassung<br />

in Aktionsgrößen gibt die TABELLE 7 in <strong>de</strong>r VDI 2078. Mit <strong>de</strong>n Bezeichnungen <strong>de</strong>r VDI 2078 erhält<br />

man das in Bild 5, links, dargestellte Mo<strong>de</strong>ll.<br />

E(1)<br />

E(2)<br />

E(3)<br />

E(4)<br />

E(5)<br />

E(6)<br />

Übertragungssystem<br />

Raum<br />

WL(1)<br />

WL(2)<br />

WL(3)<br />

WL(4)<br />

WL(5)<br />

WL(6)<br />

WL<br />

Berechnung<br />

<strong>de</strong>r<br />

Ist-Raumlufttemperatur<br />

I<br />

IWL<br />

IWL(3)<br />

Durchgriff<br />

Historie (Rekursion)<br />

Ist-Wärmeleistung <strong>de</strong>r<br />

E(3) = I<br />

Anlage W = IWL WL(3) = IWL(3)<br />

Bild 5 : Mo<strong>de</strong>ll zur Kühllastberechnung nach <strong>de</strong>m EDV-Verfahren<br />

Typ-Räume<br />

Um <strong>de</strong>n Berechnungsaufwand für <strong>de</strong>n Planer in Grenzen zu halten, wird das thermisch-dynamische<br />

Verhalten durch vier unterschiedliche Typ-Räume charakterisiert. Der Unterschied zwischen <strong>de</strong>n<br />

Typ-Räumen sollte nur im Speicherverhalten (Summenzeitkonstante) zum Ausdruck kommen. Die<br />

Wandaufbauten <strong>de</strong>r Typ-Räume wur<strong>de</strong> so gewählt, daß die Wärmedurchgangszahlen <strong>de</strong>r Außenwän<strong>de</strong><br />

für alle Typräume gleich sind.<br />

Der Vorteil dieser Vorgehensweise ist, daß die Eingabe von Wandschichtaufbauten mit <strong>de</strong>n zugehörigen<br />

Stoffdaten und Raumgeometrien für <strong>de</strong>n jeweiligen zu berechnen<strong>de</strong>n Real-Raum entfällt.<br />

In <strong>de</strong>n früheren Ausgaben <strong>de</strong>r VDI 2078 wur<strong>de</strong>n die Speicherfaktoren für zwei Bauarten I und II angegeben.<br />

Die Außenwän<strong>de</strong> waren thermisch nicht an <strong>de</strong>n Raum angekoppelt und wur<strong>de</strong>n separat mit<br />

<strong>de</strong>m Verfahren <strong>de</strong>r äquivalenten Temperaturdifferenzen behan<strong>de</strong>lt. Mit Ausnahme <strong>de</strong>r Außenwand,<br />

die in <strong>de</strong>n Typ-Raum integriert ist, sind diese bei<strong>de</strong>n Bauarten als Typ L und M auch in <strong>de</strong>r Neuausgabe<br />

enthalten. Die neu hinzu gekommenen Bauarten (Typ XL und S) wur<strong>de</strong>n <strong>de</strong>r Arbeit von Jahn<br />

[1] entnommen. Für eine bessere Erfassung <strong>de</strong>r langwelligen Strahlungskopplung im Raum wird


CSE Nadler Neuausgabe <strong>de</strong>r VDI-Kühllastregeln -VDI 2078/1993- Seite 10<br />

Jahn, Nadler, Guo Erläuterungen zum EDV-Verfahren GI (1993) Nr. 3, S. 117 - 126<br />

nun die Außenfläche in eine Fenster- und eine Außenwandfläche unterteilt. Im Kurzverfahren sind<br />

die Außenflächen weiterhin nicht an die an<strong>de</strong>ren Raumflächen thermisch gekoppelt.<br />

Für die Zuordnung eines Real-Raumes zu einem <strong>de</strong>r Typ-Räume wer<strong>de</strong>n in <strong>de</strong>r VDI-Richtlinie die<br />

Wandaufbauten (s. TABELLE 4, VDI 2078) <strong>de</strong>tailliert beschrieben. Dabei ist beson<strong>de</strong>rs auf die Lage<br />

<strong>de</strong>r Wärmedämm- bzw. Luftschichten zu achten. Läßt sich die Zuordnung nicht aus <strong>de</strong>r Erfahrung<br />

ableiten, kann die in <strong>de</strong>r VDI empfohlene Orientierungshilfe verwen<strong>de</strong>t wer<strong>de</strong>n.<br />

Bisher ist noch kein Verfahren bekannt, welches die Ermittlung einer kennzeichnen<strong>de</strong>n<br />

Summenzeitkonstante für Räume in einer einfachen Form beschreibt. Man kann jedoch davon<br />

ausgehen, daß die Wärmespeicherfähigkeit in einem engen Zusammenhang zur Wärmekapazität<br />

∑ ( ⋅ c ⋅ A)<br />

m stehen wird. Hieraus läßt sich durch <strong>de</strong>n Bezug auf eine maßgebliche Fläche eine<br />

Kenngröße für die Typ-Räume ableiten. Die TABELLE 4a in <strong>de</strong>r VDI 2078 stellt einige bezogene<br />

Kenngrößen für die Typ-Räume zusammen. Der Berechnungsalgorithmus berücksichtigt die<br />

Anordnung <strong>de</strong>r Wärmedämmschichten und bei Innenflächen die Aufteilung <strong>de</strong>r Speichermassen auf<br />

die angrenzen<strong>de</strong>n Räume. Die Lage <strong>de</strong>r Dämmschicht kann erheblich die Wirksamkeit einer<br />

speichern<strong>de</strong>n Schicht beeinflussen. Eine Dämmschicht wird in <strong>de</strong>r Neuausgabe <strong>de</strong>r VDI 2078 durch<br />

die Angabe eines zweistufigen Grenzbereiches für <strong>de</strong>n Wärmeleitwi<strong>de</strong>rstand R genauer spezifiziert.<br />

Die Bewertung <strong>de</strong>r nachfolgen<strong>de</strong>n Speicherschicht richtet sich nach <strong>de</strong>r Einordnung in diese<br />

Grenzbereiche. Bei Innenwän<strong>de</strong>n mit symmetrischer Belastung und Aufbau ist <strong>de</strong>r Wärmestrom in<br />

<strong>de</strong>r Mitte <strong>de</strong>r Wand immer Null (adiabater Abschluß). Die wirksame Speichermasse kann für <strong>de</strong>n<br />

betrachteten Raum daher nur zur Hälfte in Ansatz gebracht wer<strong>de</strong>n. Für die Größe <strong>de</strong>r<br />

zuzuordnen<strong>de</strong>n Wärmekapazität ist auch hier die Anordnung <strong>de</strong>r Dämmschicht zu beachten.<br />

Bei einiger Übung wird man eine Zuordnung zu einem Typ-Raum auch durch "scharfes Hinsehen"<br />

erhalten. Aufmerksamkeit sollte man auch <strong>de</strong>r Möblierung schenken. Z.B. können Einbauschränke<br />

wie Wärmedämmschichten wirken.<br />

Übergangsfunktionen für die Typ-Räume<br />

Das thermisch-dynamische Verhalten <strong>de</strong>s Raumes wird durch die Angabe <strong>de</strong>r Übergangsfunktionen<br />

für die ausgewählten Aktionsgrößen vollständig beschrieben (Voraussetzung: lineare zeitinvariante<br />

Systeme). Übergangsfunktionen können meßtechnisch aufgenommen o<strong>de</strong>r numerisch mittels einer<br />

Computersimulation berechnet wer<strong>de</strong>n. Letzteres ist die übliche Metho<strong>de</strong> und wur<strong>de</strong> auch in <strong>de</strong>r<br />

VDI 2078 angewandt. Die Grundlagen <strong>de</strong>s Simulationsmo<strong>de</strong>lls (Programm KST-PROMETHEUS)<br />

wer<strong>de</strong>n ausführlich in [1] dokumentiert.<br />

Mit <strong>de</strong>r Computersimulation wur<strong>de</strong>n für vier Typ-Räume (XL, L, M und S) die Übergangsfunktionen<br />

berechnet. Die Anpassung <strong>de</strong>r Übergangsfunktionen an die rekursive Filtergleichung (3)


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erfolgte mit <strong>de</strong>r Metho<strong>de</strong> <strong>de</strong>r kleinsten Fehlerquadrate. Die errechneten a- und b-Gewichtsfaktoren<br />

sind in einer normierter Form in <strong>de</strong>r VDI 2078 vertafelt.<br />

In <strong>de</strong>n Bil<strong>de</strong>rn 6-9 sind Übergangsfunktionen für die Aktionsgrößen 3 bis 6 aufgetragen. Für die<br />

Aktionsgrößen 1 und 2 erübrigt sich eine Darstellung, da diese wegen <strong>de</strong>s rein konvektiven<br />

Charakters sofort von 0 auf -1 übergehen, d.h. sofort voll wirksam wer<strong>de</strong>n.<br />

Die gepunkteten Linien stellen die approximierten Übergangsfunktionen, berechnet mit <strong>de</strong>n <strong>de</strong>normierten<br />

a- und b-Faktoren, dar. Die recht gute Übereinstimmung mit <strong>de</strong>n von KST-PROMETHEUS<br />

errechneten durchgezogenen Linien bestätigen die ausreichen<strong>de</strong> Wahl eines Ersatzmo<strong>de</strong>lls 2. Ordnung.<br />

Kennzeichnend ist, daß sich alle Kurven einem stationären Endwert nähern. Bis auf die<br />

Aktionsgröße 5 enthalten alle Übergangsfunktionen einen ohne Verzögerung wirksamen<br />

konvektiven Anteil (Durchgriff).<br />

Dem Vergleich <strong>de</strong>r Übergangsfunktionen für die einzelnen Bauarten kann man entnehmen, daß <strong>de</strong>r<br />

Typraum XL nur im Kurzzeitverhalten schneller reagiert. Dagegen ist er im Langzeitverhalten eher<br />

<strong>de</strong>n Bauschweren "leicht" bzw. "mittel" zuzuordnen. Dieses Verhalten kann durch die Ab<strong>de</strong>ckung<br />

<strong>de</strong>r Speichermassen mittels einer innen aufgebrachten Wärmedämmung (bzw. Luftzwischenraum)<br />

erklärt wer<strong>de</strong>n. Die damit verbun<strong>de</strong>ne größere Zeitverschiebung bewirkt langfristig ein trägeres<br />

Verhalten. Hier wird <strong>de</strong>r Vorteil einer genaueren mathematischen Behandlung <strong>de</strong>r Wärmeleitvorgänge<br />

in Wän<strong>de</strong>n erkennbar. Bei <strong>de</strong>n sog. Ein- bzw. Zweispeicher-Ersatzmo<strong>de</strong>llen für Wän<strong>de</strong> bleibt<br />

die Reihenfolge <strong>de</strong>s Schichtaufbaus unberücksichtigt. Zusätzliche Langzeitspeichereffekte durch die<br />

Ab<strong>de</strong>ckung <strong>de</strong>r Speichermassen sind daher bei diesen Mo<strong>de</strong>llen nicht feststellbar.<br />

Die hier getroffene Wahl eines Approximationsmo<strong>de</strong>lls 2. Ordnung ist als eine rein rechnerische<br />

Vereinfachung zu interpretieren. Die Berechnung <strong>de</strong>r Übergangsfunktion erfolgte mit einem<br />

Verfahren hoher Genauigkeit (Finite Differenzen) unter Berücksichtigung <strong>de</strong>s Schichtaufbaus. Erst<br />

danach wur<strong>de</strong> das Mo<strong>de</strong>ll durch eine Approximation vereinfacht.<br />

Aktionsgröße 3 : Raumlufttemperatur (Bild 6)<br />

Wird die Raumlufttemperatur sprungartig von 0 auf 1 erhöht, liegt hierfür eine Wärmelast entsprechend<br />

<strong>de</strong>r Übergangsfunktion in Bild 6 vor. Im ersten Moment wer<strong>de</strong>n die Oberflächentemperaturen<br />

<strong>de</strong>r Raumumschließungsflächen (ausgenommen speicherlose Bauteile) keine Reaktion zeigen. Die<br />

Temperaturdifferenz zwischen Raumluft und Wandoberfläche, bzw. bei speicherlosen Bauteilen<br />

(z.B. Fenster) zur Temperatur hinter diesen Bauteilen (Außentemperatur), hat zu diesem Zeitpunkt


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<strong>de</strong>n Maximalwert von 1 K. Vernachlässigt man die Speicherfähigkeit <strong>de</strong>r Raumluft, erreicht die<br />

Wärmelast zum Zeitpunkt 0 ihr Maximum. Die Erwärmung <strong>de</strong>r Wand durch die konvektive<br />

Wärmeaufnahme führt zu kleineren Temperaturdifferenzen und damit zu einer abnehmen<strong>de</strong>n<br />

Wärmelast. Nach unendlich langer Zeit erreichen alle Kurven einen stationären Endwert, <strong>de</strong>r sich<br />

nur noch aus <strong>de</strong>m Transmissionswärmestrom durch die Außenbauteile zusammensetzt. Da die<br />

einzelnen Typ-Räume gleiche k-Zahlen und Flächen aufweisen, besteht zwischen ihnen auch kein<br />

Unterschied im Endwert.<br />

Bild 6: Übertragungsfunktionen für Typräume <strong>de</strong>r VDI 2078. Aktion 3: Raumlufttemperatur<br />

Die Oberflächentemperaturen <strong>de</strong>r einzelnen Bauteile im Raum wer<strong>de</strong>n jedoch entsprechend ihrer<br />

Konstruktion unterschiedlich reagieren. Die einzelnen Kurven im Bild 6 stellen daher überlagerte<br />

Werte von Übergangsfunktionen <strong>de</strong>r einzelnen Raumflächen dar.<br />

Aktionsgröße 4 : Außenlufttemperatur vor transparenten Bauteilen (Bild 7)<br />

Bei einer sprunghaften Erhöhung <strong>de</strong>r Außenlufttemperatur vor Fensterflächen wird wegen <strong>de</strong>r als<br />

speicherlos angenommenen Konstruktion auf <strong>de</strong>r Innenseite sofort eine konvektive Kühllast<br />

(negative Wärmelast) wirksam. Die unverzüglich erhöhte innere Oberflächentemperatur führt zu<br />

einer langwelligen Wärmestrahlung auf die Innenflächen, welche <strong>de</strong>r Wärmespeicherung unterliegt.<br />

Die erwärmten Innenwän<strong>de</strong> wer<strong>de</strong>n ihrerseits wie<strong>de</strong>r auf die an<strong>de</strong>ren Außenflächen zurückstrahlen


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und dadurch die Kühllast verringern. Für <strong>de</strong>n Bereich <strong>de</strong>r Außenwand ergibt sich durch <strong>de</strong>n Wärmetransport<br />

von innen nach außen aufgrund <strong>de</strong>r langwelligen Zustrahlung ein "Energieloch". Die erhöhte<br />

innere Oberflächentemperatur <strong>de</strong>r Außenwand führt zu einem Wärmetransport nach außen.<br />

Bild 7: Übertragungsfunktionen für Typräume <strong>de</strong>r VDI 2078.<br />

Aktion 4 : Außenlufttemperatur vor transparenten Bauteilen<br />

Aktionsgröße 5 : kombinierte Außentemperatur vor nichttransparenten Bauteilen (Bild 8)<br />

Grundsätzlich ist dieser physikalische Vorgang mit <strong>de</strong>r Aktion 4 vergleichbar. Der Unterschied liegt<br />

im speicherfähigen Material <strong>de</strong>r Außenwand. Ein Durchgriff ist daher nicht vorhan<strong>de</strong>n. Das<br />

"Energieloch" resultiert hierbei analog <strong>de</strong>r Aktionsgröße 3 aus <strong>de</strong>r Zustrahlung <strong>de</strong>r Innenwän<strong>de</strong> auf<br />

das Fenster.<br />

Bei dieser Übergangsfunktion ist ein merklicher Unterschied zwischen <strong>de</strong>n Typ-Räumen L und M<br />

zu verzeichnen (vgl. auch TABELLE 4a, VDI 2078).<br />

Aktionsgröße 6 : absorbierte Strahlung innen (Bild 9)<br />

Bei einer sprunghaften Erhöhung <strong>de</strong>r flächenproportional verteilten Strahlung im Raum wird durch<br />

das speicherlose Fenster sofort eine Kühllast wirksam (Durchgriff). Im stationären Endzustand wird<br />

die <strong>de</strong>m Raum zugeführte Strahlungswärme durch <strong>de</strong>n Wärmeverlust <strong>de</strong>r Außenbauteile verringert.


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Bild 8: Übertragungsfunktionen für Typräume <strong>de</strong>r VDI 2078.<br />

Aktion 5 : Komb. Außentemperatur vor nichttransparenten Bauteilen<br />

Bild 9: Übertragungsfunktionen für Typräume <strong>de</strong>r VDI 2078.<br />

Aktion 6 : Absorbierte Strahlung innen


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Real-Räume und Denormierung<br />

Ein zu berechnen<strong>de</strong>r realer Raum wird in <strong>de</strong>r Regel auch in seiner Geometrie und Wärmedämmung<br />

vom Typ-Raum <strong>de</strong>r VDI 2078 abweichen. Um einen Bezug vom Typ-Raum zum Real-Raum<br />

herzustellen, sind bestimmte Kennwerte zur Umrechnung erfor<strong>de</strong>rlich. Mit diesen Kennwerten wird<br />

<strong>de</strong>r Typ-Raum normiert und <strong>de</strong>r Real-Raum <strong>de</strong>normiert.<br />

Die beson<strong>de</strong>ren Eckdaten <strong>de</strong>r Übergangsfunktionen - Durchgriff und stationärer Endwert - sind<br />

einer analytischen Berechnung zugänglich und können zur Normierung herangezogen wer<strong>de</strong>n. Das<br />

thermische Speicherverhalten <strong>de</strong>r Typ-Räume wird dadurch nur noch durch die Summenzeitkonstante<br />

vorgehalten.<br />

Im Gründruck zur Neuausgabe <strong>de</strong>r VDI-Richtlinie wur<strong>de</strong>n nur die stationären Endwerte für die<br />

Normierung verwen<strong>de</strong>t. Eine ähnliche Vorgehensweise fin<strong>de</strong>t sich auch bei <strong>de</strong>n äquivalenten<br />

Temperaturdifferenzen. Diese Normierung stellt bei Unterschie<strong>de</strong>n in <strong>de</strong>r Wärmedämmung und<br />

ähnlicher Geometrie vom Real-Raum und Typ-Raum eine gute Genauigkeit <strong>de</strong>s zeitlichen Mittelwertes<br />

<strong>de</strong>r Kühllast sicher.<br />

Die vielfältigen Anwendungen seit <strong>de</strong>r Ausgabe <strong>de</strong>s Gründruckes gingen über die Berechnung <strong>de</strong>r<br />

maximalen Kühllast <strong>de</strong>s Raumes hinaus und erfor<strong>de</strong>rten daher eine genauere Untersuchung <strong>de</strong>r<br />

Normierung. Insbeson<strong>de</strong>re durch die Einführung einer variablen Soll-Raumlufttemperatur (Aktion<br />

3) und <strong>de</strong>r Möglichkeit zur Berechnung einer vom Sollwert abweichen<strong>de</strong>n Raumlufttemperatur<br />

entstand eine erhöhte Anfor<strong>de</strong>rung durch <strong>de</strong>n Anwen<strong>de</strong>r.<br />

Bei <strong>de</strong>r Normierung auf <strong>de</strong>n stationären Endwert wür<strong>de</strong> sich bei Vergrößerung <strong>de</strong>r Raumtiefe keine<br />

Verän<strong>de</strong>rung in <strong>de</strong>r <strong>de</strong>normierten Übergangsfunktion für Aktion 3 ergeben, obwohl sich dadurch die<br />

speicherfähige Masse erhöht hat. Dagegen wird die gesamte Übergangsfunktion nach oben verschoben,<br />

wenn sich die k-Zahl <strong>de</strong>r Außenbauteile gegenüber <strong>de</strong>m Typ-Raum erhöht. Der sofort<br />

wirksame Anteil zum Zeitpunkt 0 müßte hierbei aber aufgrund <strong>de</strong>r Konstanz <strong>de</strong>r Raumumschließungsfläche<br />

erhalten bleiben.<br />

Für die Aktionsgröße 3 wird aus diesem Grun<strong>de</strong> die im Bild 6 eingetragene verän<strong>de</strong>rte Normierung<br />

vorgenommen. Vom tatsächlichen Durchgriff wird nur <strong>de</strong>r stationäre Anteil benutzt. Der restliche<br />

Anteil wird als Normierungsfaktor F(3) verwen<strong>de</strong>t.<br />

Bild 10 und 11 stellen beispielhaft die <strong>de</strong>normierten Übergangsfunktionen für <strong>de</strong>n Fall einer Erhöhung<br />

<strong>de</strong>r Raumumschließungsfläche um 25 % durch Verlängerung <strong>de</strong>r Raumtiefe und einer Verdoppelung<br />

<strong>de</strong>r k-Zahlen <strong>de</strong>r Außenbauteile dar. Der Vergleich mit <strong>de</strong>n Ergebnissen <strong>de</strong>r Computersimulation<br />

zeigt eine gute Übereinstimmung. Die Än<strong>de</strong>rung <strong>de</strong>r Übergangsfunktionen für die


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an<strong>de</strong>ren Aktionsgrößen durch die Verän<strong>de</strong>rung <strong>de</strong>r Raumgeometrie war bei diesem Beispiel<br />

unerheblich. Der Einfluß <strong>de</strong>r Raumgeometrie wird <strong>de</strong>mnach durch dieses Verfahren weitgehend<br />

zurückgedrängt. Wegen <strong>de</strong>r als flächenproportional angenommenen Verteilung <strong>de</strong>r Strahlung im<br />

Raum sollte jedoch eine gewisse geometrische Ähnlichkeit zum Typ-Raum vorhan<strong>de</strong>n sein.<br />

Bild 10: Prüfung <strong>de</strong>r Denormierung von Aktion 3. Verlängerung <strong>de</strong>r Raumtiefe.<br />

Bild 11: Prüfung <strong>de</strong>r Denormierung von Aktion 3.<br />

Verdoppelung <strong>de</strong>r Wärmedurchgangskoefizienten.


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Konsequenterweise wird bei <strong>de</strong>r hier neu vorgestellten Normierung auch <strong>de</strong>r Durchgriff <strong>de</strong>r<br />

Aktionsgrößen 4 und 6 berücksichtigt.<br />

Die Gewichtsfaktoren für die vier verschie<strong>de</strong>nen Raumtypen und für je<strong>de</strong> Aktionsgröße sind in <strong>de</strong>n<br />

VDI-Kühllastregeln in normierter Form vertafelt (vgl. TABELLE A23, VDI 2078). Vor ihrer Verwendung<br />

müssen sie in <strong>de</strong>r angegebenen Weise <strong>de</strong>normiert wer<strong>de</strong>n. Den gesamten Berechnungsalgorithmus<br />

stellt Tabelle 1 zusammen.<br />

Tabelle 1 : Zusammenstellung <strong>de</strong>r Algorithmen für das EDV-Verfahren <strong>de</strong>r VDI 2078<br />

6<br />

l = 1<br />

3<br />

Wärmelast <strong>de</strong>s Raumes<br />

[ WL ( l)<br />

k + D(<br />

l)<br />

E(<br />

l)<br />

k ] + Lk<br />

E(3<br />

k<br />

WL k = ∑<br />

)<br />

WL(<br />

l)<br />

k<br />

=<br />

∑<br />

m=<br />

0<br />

A(<br />

l)<br />

m<br />

E(<br />

l)<br />

2<br />

k− m + ∑<br />

n=<br />

1<br />

B(<br />

l)<br />

WL(<br />

l)<br />

n<br />

k−n<br />

A(<br />

l)<br />

B(<br />

l)<br />

m<br />

n<br />

= a(<br />

l)<br />

= b(<br />

l)<br />

Denormierung<br />

n<br />

m<br />

F(<br />

l)<br />

⎫<br />

⎬ für<br />

⎭<br />

Aktion l Denormierungsfaktoren F(l) Durchgriff D(l)<br />

1 1 0<br />

2 1 0<br />

⎡<br />

⎤<br />

3 ∑ ( α K ) − ∑ ( kA) + ∑ ( kA) ⎥ ⎦<br />

4<br />

5<br />

6<br />

RU<br />

A ∑ ( kA) + ∑ ( kA)<br />

RU<br />

⎢<br />

⎣<br />

AW<br />

∑ ( kA)<br />

FE<br />

∑ ( )<br />

AW<br />

AW<br />

FE<br />

AW<br />

FE<br />

FE<br />

AW<br />

α K<br />

−<br />

α<br />

AW<br />

, FE<br />

kA 0<br />

I<br />

FE<br />

∑ ( kA)<br />

FE<br />

⎧ l<br />

⎪<br />

⎨m<br />

⎪<br />

⎩ n<br />

FE<br />

FE<br />

= 1...6<br />

= 0...3<br />

= 1...2<br />

∑( kA) AW<br />

+ ∑( kA)<br />

FE α<br />

AW<br />

FE<br />

K , FE ⎡ 1 ⎤<br />

1 −<br />

− ⎢AFE<br />

− ∑ ( kA) FE ⎥<br />

∑( α K A)<br />

α I ARU<br />

⎣ α I FE ⎦<br />

RU<br />

RU<br />

Luftwert L k = ( mc ! ) FL, k + ∑( kA) + ∑(<br />

mc ! ) NR,<br />

k + ( m!<br />

c)<br />

sonst,<br />

k<br />

NR<br />

NR<br />

NR<br />

Die Denormierungsfaktoren F(l) und <strong>de</strong>n Durchgriff D(l) erhält man durch eine konvektive Wärmebilanz<br />

jeweils im End- bzw. im Anfangszustand über <strong>de</strong>n Raum. Zu bemerken wäre hierbei, daß die<br />

langwellige Strahlungswärmeabgabe <strong>de</strong>r Außenflächen im stationären Endzustand an <strong>de</strong>n adiabaten<br />

Innenflächen vollständig in Konvektion umgewan<strong>de</strong>lt wird. Man kann daher für die konvektive<br />

Bilanz die Gesamtwärmeabgabe <strong>de</strong>r Außenbauteile in Ansatz bringen (∑ ( k A)<br />

).


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Das erwähnte "Energieloch" wur<strong>de</strong> bei <strong>de</strong>r Normierung vernachlässigt. Für die Typ-Räume zeigt<br />

sich <strong>de</strong>r Unterschied <strong>de</strong>s Normierungsfaktors zum Stationärwert <strong>de</strong>r Übergangsfunktionen in <strong>de</strong>n<br />

Bil<strong>de</strong>rn 7 und 8. Durch diese Vernachlässigung bleibt die Raumentwärmung proportional zum<br />

Stationärwert konstant. Bei einer Größenordnung <strong>de</strong>s "Energieloches" von 5 % <strong>de</strong>s Stationärwertes<br />

ohne Durchgriff und <strong>de</strong>r geringen Schwankungsbreite <strong>de</strong>r Wärmedämmung <strong>de</strong>r Real-Räume im<br />

Vergleich zu <strong>de</strong>n Typ-Räumen ist dies zulässig. Insbeson<strong>de</strong>rs wenn man be<strong>de</strong>nkt, daß an<strong>de</strong>rnfalls<br />

mit viel Berechnungsaufwand Promille eines Ergebnisses beeinflußt wür<strong>de</strong>n, welches im Rahmen<br />

<strong>de</strong>r Vereinbarungen <strong>de</strong>s Berechnungsverfahrens "genau" ist, jedoch von <strong>de</strong>r praktischen<br />

Wirklichkeit <strong>de</strong>s Baues abweichen wird.<br />

Raumlufttemperatur bei begrenzter Wärmeleistung <strong>de</strong>r Anlage<br />

<br />

Wird die Wärmeleistung <strong>de</strong>r Anlage W k auf einen bestimmten Wert begrenzt, stellt sich eine Ist-<br />

Raumlufttemperatur Iϑ LR, k ein. Im Extremfall bei W k = 0 liegt ein System mit frei schwingen<strong>de</strong>r<br />

Raumlufttemperatur vor. Für W k ≠ 0 wird die Restwärmelast zu einer Än<strong>de</strong>rung gegenüber <strong>de</strong>r<br />

Soll-Raumlufttemperatur Sϑ führen. Die als Aktionsgröße <strong>de</strong>finierte Raumlufttemperatur ist<br />

LR, k<br />

nun die gesuchte Reaktionsgröße. Den Lösungsvorgang bei dieser Mo<strong>de</strong>llumkehrung bezeichnet<br />

man als "Entfaltung".<br />

Ordnet man <strong>de</strong>r Ist-Wärmeleistung W k eine Ist-Wärmelast I WLk<br />

bei Ist-Raumlufttemperatur<br />

Iϑ LR,k und <strong>de</strong>r Soll-Wärmelast WL k die Soll-Raumlufttemperatur Sϑ LR, k zu, dann erhält man<br />

durch Differenzbildung für <strong>de</strong>n Ist- und Sollzustand die Restwärmeleistung<br />

W<br />

k<br />

−WL<br />

k<br />

=<br />

=<br />

IWL(3)<br />

k −WL(3)<br />

k + [ D(3)<br />

+ Lk<br />

] ⋅[ Iϑ<br />

LR,<br />

k − SϑLR,<br />

k ]<br />

[ A(3)<br />

+ D(3)<br />

+ L ] ⋅[ Iϑ<br />

− Sϑ<br />

]<br />

0<br />

k<br />

LR,<br />

k<br />

LR,<br />

k<br />

(4)<br />

Die an<strong>de</strong>ren Reaktionswärmelasten wer<strong>de</strong>n hiervon nicht berührt und sind bei <strong>de</strong>r Differenzbildung<br />

entfallen. Voraussetzung für Gl. (4) ist jedoch, daß die Soll-Wärmelast zunächst mit <strong>de</strong>r Soll-<br />

Raumlufttemperatur zum Zeitpunkt k und <strong>de</strong>n vergangenen Ist-Werten (Historie) I WL(3)<br />

k−n<br />

und<br />

I berechnet wird.<br />

ϑ LR , k −m<br />

Aus Gl. (4) läßt sich die Ist-Raumlufttemperatur bei vorgegebener Wärmeleistung <strong>de</strong>r Anlage und<br />

die Ist-Wärmelast ermitteln.<br />

I<br />

LR, k<br />

W<br />

=<br />

A(3)<br />

0<br />

k<br />

− WL<br />

k<br />

+ D(3)<br />

+ L<br />

k<br />

+ Sϑ<br />

ϑ (5)<br />

LR,<br />

k


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Eine Kontrollmöglichkeit ist durch das Gleichsetzen <strong>de</strong>r Anlagenleistung mit <strong>de</strong>r Soll-Wärmelast<br />

gegeben. In diesem Fall muß sich als Istwert <strong>de</strong>r Sollwert ergeben.<br />

Die mit <strong>de</strong>m EDV-Verfahren ermittelte Soll-Wärmelast gibt für <strong>de</strong>n Berechnungszeitpunkt die<br />

aktuell erfor<strong>de</strong>rliche Wärmeleistung an, um <strong>de</strong>n Raum innerhalb einer Stun<strong>de</strong> von <strong>de</strong>r vorhergehen<strong>de</strong>n<br />

Ist-Raumlufttemperatur auf <strong>de</strong>n vorgegebenen Sollwert zu bringen. Sie wird betragsmäßig<br />

von <strong>de</strong>r Soll-Wärmelast für eine zeitlich konstante Raumlufttemperatur abweichen und sollte mit<br />

dieser begriffsmäßig auch nicht verwechselt wer<strong>de</strong>n. Die Ergebnisinterpretation muß sich daher<br />

immer auf die Ist-Wärmelast beziehen und im Zusammenhang mit <strong>de</strong>m Zeitverlauf <strong>de</strong>r Raumlufttemperatur<br />

angegeben wer<strong>de</strong>n.<br />

Zu beachten ist bei Anwendung <strong>de</strong>r Gl. (4), daß die Wärmeleistung <strong>de</strong>r Anlage W k<br />

im allgemeinen<br />

auch von <strong>de</strong>r Raumlufttemperatur abhängig ist. Ist diese Abhängigkeit analytisch bekannt, kann Gl.<br />

(4) entsprechend umgeformt wer<strong>de</strong>n. An<strong>de</strong>rnfalls ist eine Iteration notwendig.<br />

Mit dieser Berechnungsmetho<strong>de</strong> können nun auch die in <strong>de</strong>r Praxis vorkommen<strong>de</strong>n Fragen untersucht<br />

wer<strong>de</strong>n., z.B.<br />

- Welche Raumlufttemperaturen stellen sich ohne einen Kühlbetrieb ein<br />

- Welche Kühllast ergibt sich, wenn man eine ggf. erfor<strong>de</strong>rliche Heizlast in <strong>de</strong>n Nachtstun<strong>de</strong>n<br />

nicht erfüllen will<br />

- Welche Betriebsführung ist zur Einhaltung eines Sollwertban<strong>de</strong>s bei unterdimensionierter<br />

Anlagenleistung erfor<strong>de</strong>rlich<br />

Rechenverfahren<br />

Nach <strong>de</strong>r Denormierung und Festlegung <strong>de</strong>r Belastungsverläufe (Aktionsgrößen E) erfolgt zunächst<br />

die Berechnung <strong>de</strong>r Wärmelast <strong>de</strong>s Raumes WL k für eine vorgegebene Soll-Raumlufttemperatur<br />

Sϑ gleich E(3) zum Zeitpunkt k (s. Bild 5).<br />

LR,k<br />

Gemäß <strong>de</strong>m Superpositionsprinzip kann die Berechnung für je<strong>de</strong> Aktion getrennt erfolgen. Die<br />

Wärmelast WL ergibt sich durch Addition <strong>de</strong>r Reaktionswärmelasten.<br />

k<br />

Weicht die Wärmeleistung <strong>de</strong>r Anlage<br />

W k von <strong>de</strong>r Wärmelast <strong>de</strong>s Raumes ab, wird sich eine abweichen<strong>de</strong><br />

Ist-Raumlufttemperatur Iϑ LR , k<br />

einstellen. Man erhält diesen Wert durch die sog. Entfaltung,<br />

bei <strong>de</strong>r die gesuchte Eingangsgröße unter Vorgabe einer Ausgangsgröße ermittelt wird.


CSE Nadler Neuausgabe <strong>de</strong>r VDI-Kühllastregeln -VDI 2078/1993- Seite 20<br />

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Diesen Schritt sollte man zur Kontrolle grundsätzlich durchführen, auch wenn die Anlage die<br />

ausreichen<strong>de</strong> Wärmeleistung zur Verfügung stellen kann. Wird W k = WLk<br />

gesetzt, muß sich<br />

ϑ = ϑ ergeben. Das Verfahren kontrolliert sich somit selbst.<br />

I<br />

LR , k S LR,<br />

k<br />

Als Ergebnis erhält man die Ist-Raumlufttemperatur Iϑ LR , k<br />

und die Ist-Wärmelast I WLk<br />

. Die<br />

Raumlufttemperatur und die Reaktionswärmelast <strong>de</strong>r Aktionsgröße 3 müssen wegen <strong>de</strong>r rekursiven<br />

Berechnungsmetho<strong>de</strong> vor Ausführung <strong>de</strong>s nächsten Zeitschrittes durch die Istwerte überschrieben<br />

wer<strong>de</strong>n. Damit gehen die Ist-Werte in die thermische Historie <strong>de</strong>s Raumes ein.<br />

Die Kühllast ist als eine konvektive Last im eingeschwungenen Zustand <strong>de</strong>finiert. D.h. nach einer<br />

mehrtägigen Rechnung mit <strong>de</strong>n im Tagesverlauf gleichen Eingangsgrößen dürfen sich die<br />

Ergebnisse für je<strong>de</strong>n Zeitpunkt k nicht mehr än<strong>de</strong>rn. Dabei ist die Anzahl <strong>de</strong>r notwendigen<br />

Berechnungstage bei sehr schwerer Bauweise o<strong>de</strong>r bei variabler Raumlufttemperatur im<br />

Zusammenhang mit <strong>de</strong>r möglichen Andauer einer Hitzeperio<strong>de</strong> kritisch zu bewerten. Die VDI 2078<br />

schreibt daher einen Abbruch <strong>de</strong>r Einschwingrechnung spätestens nach 14 Tagen vor.<br />

Um realistische Startbedingungen für die Einschwingrechnung mit <strong>de</strong>n extremen Wetterdaten zu<br />

erhalten, wird eine Anlaufrechnung mit einer Anzahl be<strong>de</strong>ckter Tage empfohlen.<br />

Zusammenfassung<br />

Das in <strong>de</strong>r VDI 2078 vorgestellte EDV-Verfahren basiert auf <strong>de</strong>m Faltungsprinzip im Zeitbereich.<br />

Mittels Gewichtsfaktoren wer<strong>de</strong>n die thermisch-dynamischen Übertragungseigenschaften einzelner<br />

Systeme beschrieben. Dadurch ist es möglich, für einen frei vorgebbaren Verlauf <strong>de</strong>r thermischen<br />

Raumbelastungen die zugehörige Wärmelast <strong>de</strong>s Raumes mit <strong>de</strong>r Kühllast als Son<strong>de</strong>rfall zu<br />

ermitteln.<br />

Durch die Verwendung rekursiver Filter 2. Ordnung sind nur sechs Gewichtsfaktoren notwendig,<br />

um das Übertragungsverhalten einer Aktionsgröße ausreichend genau zu approximieren. Verwen<strong>de</strong>t<br />

wer<strong>de</strong>n 6 Aktionsgrößen, die jeweils aus <strong>de</strong>n thermischen Raumbelastungen entsprechend <strong>de</strong>n Angaben<br />

ermittelt wer<strong>de</strong>n.<br />

Diese auf lineare zeitinvariante Übertragungssysteme anwendbare Metho<strong>de</strong> stellt ein thermisches<br />

Mo<strong>de</strong>ll 2. Ordnung dar. Die Abgrenzung zu an<strong>de</strong>ren thermischen Mo<strong>de</strong>llen liegt in <strong>de</strong>r höheren<br />

Ordnung und vor allem in <strong>de</strong>r differenzierten Auswahl <strong>de</strong>r Aktionsgrößen. Dabei wur<strong>de</strong>n sowohl<br />

die physikalisch wirksamen Komponenten als auch die Voraussetzung <strong>de</strong>r Zeitinvarianz<br />

berücksichtigt.


CSE Nadler Neuausgabe <strong>de</strong>r VDI-Kühllastregeln -VDI 2078/1993- Seite 21<br />

Jahn, Nadler, Guo Erläuterungen zum EDV-Verfahren GI (1993) Nr. 3, S. 117 - 126<br />

Für vier verschie<strong>de</strong>ne Typ-Räume mit unterschiedlichem Speicherverhalten, aber gleicher Wärmedämmung<br />

<strong>de</strong>r Außenbauteile, sind die Gewichtsfaktoren für die einzelnen Aktionsgrößen mittels<br />

Computersimulation berechnet wor<strong>de</strong>n. Anhand <strong>de</strong>r Übergangsfunktionen für die Typ-Räume<br />

wur<strong>de</strong>n geeignete Normierungsgrößen abgeleitet und ein entsprechen<strong>de</strong>s Denormierungsverfahren<br />

angegeben.<br />

Mit <strong>de</strong>r Denormierung wer<strong>de</strong>n die Übertragungseigenschaften eines Typ-Raumes auf einen zu berechnen<strong>de</strong>n<br />

Real-Raum anhand von k-Zahlen und Flächen umgerechnet. Für die Zuordnung eines<br />

Real-Raumes zu einem Typ-Raum enthält die VDI 2078 im Weißdruck neu überarbeitete Orientierungshilfen.<br />

Das EDV-Verfahren <strong>de</strong>r VDI 2078 bietet <strong>de</strong>m Planer die Möglichkeit, die zu erstellen<strong>de</strong> RLT-<br />

Anlage unter verschie<strong>de</strong>nen Aspekten vor <strong>de</strong>r Montage näher zu untersuchen. Beson<strong>de</strong>rs die<br />

Ermittlung <strong>de</strong>r sich einstellen<strong>de</strong>n Raumlufttemperatur bei begrenzter Anlagenleistung kann <strong>de</strong>n<br />

Ausschluß ansonsten geeigneter Systeme verhin<strong>de</strong>rn. Grundsätzlich kann das EDV-Verfahren auch<br />

für Energieverbrauchsberechnungen eingesetzt wer<strong>de</strong>n. Dies geht jedoch über <strong>de</strong>n Anwendungsbereich<br />

<strong>de</strong>r VDI-Richtlinie 2078 hinaus und setzt entsprechen<strong>de</strong> Erfahrungen voraus.<br />

Literatur<br />

[1] Jahn, A. : Metho<strong>de</strong>n <strong>de</strong>r energetischen Prozeßbewertung Raumlufttechnischer Anlagen und<br />

Grundlagen <strong>de</strong>r Simulation. Dissertation TU Berlin, 1978<br />

[2] Jahn, A.: Das Faltungsprinzip und die Simulation <strong>de</strong>s dynamischen thermischen<br />

Raumverhaltens. GI 1977, Heft 10<br />

[3] Dobesch-Sulanke : Zeitfunktionen. Theorie und Anwendung. VEB Verlag Technik Berlin<br />

1970<br />

[4] Todorovic, B.: Verteilung <strong>de</strong>r Sonnenstrahlung im Rauminnern als Angabe für die<br />

Berechnung <strong>de</strong>r Kühllast von Sonneneinstrahlung durch Fenster. 5. Int. Kongr. für Heizung,<br />

Lüftung und Klimatechnik, Kopenhagen 1971, Vol. 1, Polyteknisk Forlag<br />

[5] Masuch, J.: Die Berücksichtigung von Wärmespeichervorgängen in <strong>de</strong>n VDI-Kühllastregeln.<br />

HLH 1970, Nr. 12

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