Building Design Days + Energy

Die Methode Building Design Days + Energy (BDD+E) berechnet stündliche statische Bilanzen von Wärmeeinträgen und -austrägen in thermischen Zonen, Wärmeabgabe und -aufnahme von Raum-Übertragungssystemen für Heizen und Kühlen, Wärmezufuhr und -abfuhr von raumlufttechnischen Anlagen mit Heiz- und Kühlregister. Abschließend werden die Energiekonzept-Komponenten berechnet, die aus Energieträgern die benötigte Wärme, Kälte und Strom bereitstellen. Durch die vorhandenen 8760 Stunden des gesamten Jahres wird das Thema Teillast-Betriebsweise sichtbar und kann durch nachhaltige sichere Dimensionierung gelöst werden. Insbesondere wird die stündliche CO2-Belastung im Strommix berücksichtigt und bewertet. Ziel der Methode BDD+E ist die schnelle und sichere Dimensionierung von Heizung und Kühlung bis hin zu den Raumsystemen und deren Betriebsweise.

Das Rechenverfahren von statischen stündlichen Bilanzen berechnet mit statisch vorgegebener Raum-Ziel-Temperatur die Wärme Einträge und Austräge. Design-Kriterium ist, dass wenn am Ende des Tages dieselbe statisch vorgegebene Raum-Temperatur erreicht wird, dann reicht die dimensionierte Übergabe-Leistung für Heizung und Kühlung aus. Damit kann die Energie am extremsten Wintertag und Sommertag den Raum thermisch stabil halten. Es können viele dieser extremen Tage hintereinanderkommen und jeweils wird die Raumtemperatur am Tagesende wieder der vom Tagesanfang entsprechen.

Die Speicherkapazität des Raumes dämpft die Änderung der Raum-Temperatur, wenn eine Teil-Leistung mal in einer Stunde fehlt oder zu viel in den Raum kommt. Über die Speicherfähigkeit des Raumes wird diese Leistung in eine stündliche Temperatur-Änderung umgerechnet und kumuliert als Trend-Raumtemperatur dargestellt.

Die Methode Building Design Days + Energy bietet Eingabe- und Ergebnisgrößen als Zeitreihe mit 24 Stunden pro Tag über 365 Tage für jede der 8760 Stunden des gesamten Jahres an.

Abgrenzung zur dynamischen Simulation

Es handelt sich nicht um eine dynamische Simulation. Bei dieser würden für jede neue Stunde die geänderten Randbedingungen aus der Stunde davor als neue Startbedingungen angesetzt werden.

Berechnung über die statische Bilanz ist auf der sicheren Seite, weil beispielsweise ein Absinken der Raumtemperatur im Winter bei zu geringer Heizleistung zu einem geringeren statischen Wärmeverlust durch Transmission und Lüftung führen würde. Die Methode BDD+E rechnet aber die Verluste immer auf die statisch vorgegebene Raum-Soll-Temperatur, die in diesem Fall höher ist.

Die Methode BDD+E ist die Brücke von statisch berechneten Momentan-Werte über die 24 Stunden der Design Days für Winter und Sommer hin zu den 8760 Stunden und Energien der Simulation.

Vorteile

Der Vorteil liegt darin, dass nun ein Planer nur noch für die 24 Stunden der extremen beiden Tage die Heiz- und Kühlleistung dimensionieren muss. Entwurfskriterium ist, dass die Raum-Temperatur am Ende des Tages wieder die vom Anfang des Tages ist. Dann konnte die Heiz- und Kühlenergie für die extremsten Tage im Jahr geliefert und übertragen werden.

Jede einzelne Stunde ist transparent von Hand überprüfbar, weil die Randbedingungen bekannt sind und die Berechnung nur die statische Bilanz zu dieser Stunde ermittelt. Ursache und Wirkung werden transparent dargestellt als Basis für Entscheidungen zur Dimensionierung.

Ein Hauptvorteil ist, dass für Erzeuger-Komponenten reale gemessene Wirkungsgrade und Teillast-Kennlinien verwendet werden können, die dann auf stündlicher Basis von Heiz- und Kühllastgängen zu den Jahresarbeitszahlen und anderen abgeleiteten Größen führen. Insbesondere Wärmepumpen sind sehr sensibel in Bezug auf Überdimensionierung und Teillast-Verhalten.

Nachhaltig

Dabei kann der Planer die Leistung so nachhaltig reduzieren und dabei die Betriebsweise Vorheizen und Vorkühlen berücksichtigen.

Betriebsweise und Automation

Der Planer kann eine klare Vorgabe für die Betriebsweise zur Automation geben und bestimmte Grenzwerte für Regelungen gestalten, mit denen das Gebäude „wissend“ in das erste Betriebsjahr gehen kann.

Die Vorlauf-Temperatur für Heizen und Kühlen der Raum-Übertragungssysteme kann abhängig von Außentemperatur und solarer horizontaler Einstrahlung gestaltet werden.

• Für den Heizfall kann das beispielsweise bedeuten: Die Absenkung der Vorlauftemperatur führt zu einer verkleinerten nötigen Übertragungsleistung in den Räumen am Tage mit solarer Einstrahlung.
  • Durch weniger Massenfluss können Pumpenstrom und Verteilungsverluste reduziert werden.
• Für den Kühlfall kann das beispielsweise bedeuten: Durch die zusätzliche Berücksichtigung der solaren horizontalen Einstrahlung auf dem Dach kann gezielt nur in diesen Zeiten die Vorlauf-Temperatur weiter abgesenkt werden.
  • Der Vorteil ist, dass dadurch viel seltener die Vorlauf-Temperatur abgesenkt werden muss und dadurch weniger Massenfluss und weniger Verteilungsverluste entstehen.

Raumlufttechnische (RLT) Anlagen werden ebenfalls berechnet, einschließlich deren Aufwand für die Heiz- und Kühlregister nach einer Wärmerückgewinnung sowie der latenten Entfeuchtung beim Vorkühlen der Zuluft im Sommer. Das erhöht die Transparenz durch Darstellung von zeitgleichen Aufwänden verschiedener beteiligter vorgelagerter Komponenten.

Monitoring

Ein Energiemonitoring heutzutage fordert bisher nur die Messung der Zeitreihen der Leistung für Heizung und Kühlung und Strom. Diese Werte dokumentieren allerdings nur die Wirkung. Daraus eine Ursache abzuleiten und eine damit verbundene Maßnahme zu finden, um den beispielsweise den Verbrauch zu senken, fehlt.

Der Digitale Physikalische Zwilling der Methode Building Design Days + Energy liefert durch die Dimensionierung den maximal zu erwartenden Tagesgang der Heizleistung am extremsten Wintertag und der Kühlleistung am extremsten Sommertag zum Vergleich mit den Werten aus dem Monitoring. Diese Tagesgänge lassen sich nun mit den Messdaten vergleichen und diese sollten immer kleiner sein - mindestens die Tagessumme.

Eine im Monitoring gemessene maximale Leistung sollte immer kleiner sein als die dimensionierte Leistung in den extremen Design Days. Auf jeden Fall sollte die gemessene Tagesenergie kleiner sein als die im Design Day ermittelte Tagesenergie, damit am extremsten Tag das Gebäude und seine Räume auf der Ziel-Temperatur gehalten werden können.

Außerdem lässt sich der Tagesverlauf des Vortags mithilfe der Eingabewerte rasch nachbilden. Dabei können durch Änderungen der Design-Parameter diejenigen identifiziert werden, die dem gemessenen Verlauf am nächsten kommen. Dann werden Ursachen aus der Nutzung und gegebenenfalls auch aus der Verschattung sichtbar.

365 Tage mit 24 Stunden ergeben alle 8760 Stunden im Jahr

Obwohl sich der Planer nur auf die zwei extremen Tage (Winter und Sommer) mit 24 Stunden konzentriert und dafür die zu installierende Leistung dimensioniert, entstehen automatisch immer für jede der 8760 Stunden des Jahres die Zeitreihen von Eingaben und Ergebnissen. Damit lassen sich für jeden beliebigen Zeitraum eine Summe oder Mittelwert bilden. Darüber hinaus zeigen die Summenhäufigkeitskurven beliebiger Größen anschaulich die Verteilung und Korrelationen, meistens über der Außenlufttemperatur. Sie zeigen beispielsweise die Heizkurve und Kühlkurve.

Für Wirtschaftlichkeitsberechnungen, beispielweise nach VDI 2067 Teil 1, stehen nun alle gewünschten Mengen zur Verfügung hinsichtlich dimensionierter Leistung und Größe einer Komponente oder Jahresenergie mit Volllaststunden. Volllaststunden sind bei diesem Verfahren immer ein Ergebnis und nicht mehr nur eine Schätzung, wie viele Stunden eine Leistung im Jahr wohl benötigt wird.

Bilanzkreise

Die Building Design Days + Energy können von den thermischen Zonen (Raumgruppen mit gleichem thermischem Verhalten) aufgeteilt werden auf Räume, auf Heizkreise und Kühlkreise sowie jede andere Gruppierung, beispielsweise die Räume, die mit einer RLT-Anlage versorgt werden. Bilanzkreise können auch auf Quartiere hoch skaliert werden und dadurch Transparenz durch Ursache und Wirkung bis auf Raum-Ebene schaffen.

Bestehende Normen

Bestehende Normen zielen immer darauf ab, für ein bestimmtes Ergebnis die nötigen Eingaben und Rechenverfahren vorzugeben. Leider haben wir in Deutschland für Räume und Gebäude unterschiedliche Eingaben und Rechenverfahren für die Ermittlung der Heizleistung (DIN EN 12831), der Kühlleistung (VDI 2078) und dem Energiebedarf für Heizen, Kühlen und Strom (DIN 18599). Ergänzend wird noch der sommerliche Komfort zur Begrenzung von Überhitzung für ausgewählte Räume geprüft (DIN 4108 Teil 2).

Die Eingaben und Randbedingungen für die Berechnungen der Gebäude und der Räume werden für jedes Verfahren in anderer Weise in verschiedenen Normen benötigt.

• Für die Heizlast wird für eine extreme Stunde nur der Verlust je Raum durch Transmission durch Konstruktionen und Lüftungswärme ermittelt ohne die Berücksichtigung der internen Wärme durch Beleuchtung, Geräte und Personen und ohne solare Einstrahlung.
  • Die Außentemperatur ist sehr kalt, der Raum ist dunkel, es ist Nacht, niemand ist anwesend, alle Geräte sind ausgeschaltet, es wird gelüftet und dieser Zustand muss bei heutiger Gebäudedämmung bis zu 36 Stunden konstant sein, damit sich der statische Wärmeverlust durch die Konstruktionen einstellt.
• Für die Kühllast wird die extremste Stunde gesucht durch einen extremen Tagesgang, der dreimal hintereinander gesetzt die Spitzen-Kühllast findet. Dabei werden auch die Raum-Geometrie, die Konstruktionen, ein anderer Luftwechsel und natürlich jede interne Wärme von Personen, Geräten und Beleuchtung voll berücksichtigt. Die solare Einstrahlung wird gedämpft durch geregelte Verschattung je Fenster berechnet hineingelassen.
  • Die Außentemperatur und die solare Einstrahlung für den extremen Tag werden gemäß den Vorgaben der VDI 2078 berücksichtigt. Nach dem dritten Berechnungstag wird die Stunde mit der höchsten Kühlleistung herangezogen. Die betroffenen Räume werden hinsichtlich ihrer Lastspitzen korreliert ausgewertet.
• Für die Jahresenergie für Heizung und Kühlung wird nach einem monatlichen Rechenverfahren mit einem Klimadatensatz TRY 04 Potsdam für ganz Deutschland ein Ergebnis erzielt, welches nur als Nachweis (nach GEG erlaubt oder nicht erlaubt) benutzt wird und für den realen Standort keine planungsrelevanten Erkenntnisse liefert.
  • Darüber hinaus bestimmt das GEG, dass für Wohngebäude der Strombedarf im Gebäude für Geräte und Beleuchtung nicht im Endenergiebedarf addiert werden darf. Für Nicht-Wohngebäude darf der Strom für Geräte nicht addiert werden. Damit entstehen Energiebedarfe, die in der Realität viel größer sind und auch real eingesetzt werden müssen.
  • Für das Rechenverfahren zur Ermittlung vom Strombedarf für Luft-Wasser-Wärmepumpen wurde eine Tabelle hinterlegt, in der die Außenluft-Temperaturen in Klassen eingeteilt und mit Häufigkeit in Stunden pro Jahr hinterlegt sind.
• Für den sommerlichen Raumtemperatur-Komfort wird eine Simulation mit 8760 Stunden des Jahres empfohlen mit vorgegebenen Randbedingungen hinsichtlich interner Wärme.
  • Dieses Nachweisverfahren schaut nur in den Sommer und nicht in den Winter. Maßnahmen zur Erfüllung sind eine Verglasung mit kleinerem g-Wert oder eine stärkeres Verschattungssystem. Dass ein kleinerer g-Wert auch die Lichttransmission für den Winter kleiner macht und damit mehr Strom für die Beleuchtung nötig wird, berücksichtigt das Verfahren nicht.

Vergleich und Transparenz

Die Methode Building Design Days Energy (BDD+E) ist verbunden mit transparenten anschaulichen Design Days, deren Eingaben und Ergebnisse mit der stündlichen Simulation und Messdaten aus Monitoring von Gebäude und Anlagentechnik verglichen werden können.

• Durch die statische Bilanz ist jede einzelne Stunde per Handrechnung nachprüfbar.

CO2-Belastung im Strommix

Die CO2-Belastung im Strommix ist zu jeder der 8760 Stunden im Jahr unterschiedlich, je nachdem welche Energieträger gerade zur Strom-Erzeugung eingesetzt wurden (siehe CO2 im Strommix).

Die Methode Building Design Days + Energy zeigt die CO2-Belastung im Strommix zu dem Strom-Bedarf dazu. Dazu sind die gemessenen Daten von der Strombörse EEX und vom Fraunhofer-Institut FHG-ISE aufbereitet worden.

Aufgrund der sehr volatilen variablen Tagesgänge, die sich bisher noch nicht systematisch in CO2 Design Days haben umwandeln lassen, ist hier noch keine Lösung vorhanden. Die originalen stündlichen Strommix-Daten und der jeweils eingesetzten Energieträger stehen aber zur Darstellung zur Verfügung für die Jahre 2018 bis 2024.

Design-Versionen

In der Methode Building Design Days + Energy (BDD+E) [BDD+E, 2025] ist es möglich, eine Design-Version über eine Kombination von ausgewählten Eingabewerten anders einzustellen (originale Eingabe bleibt erhalten). Der Vergleich der Design-Versionen zeigt dann die Auswirkung auf ausgewählte Ergebnisgrößen. Beispielsweise kann die tiefste Außenlufttemperatur um 2°C kühler eingegeben werden und beobachtet werden, wie sich am Design Day Winter bei identisch dimensionierter Heizleistung für die Raum-Wärme-Übergabe-Systeme die Raum-Trendtemperatur mit speichernder Wirkung verändert, und ob das ein Problem ist. Damit wird der kausale Zusammenhang zwischen vergrößernder Eingabe und direkt vergrößerter Heizlast aufgehoben.