Aufgabenstellung - Cse-nadler.de
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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.
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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-
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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)
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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.
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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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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
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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
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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 />
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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.
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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