Die neue VDI 2078

Frei von Formeln und umfang­reichen mathematisch physika­lischen Abhandlungen soll dieser Artikel den Umstieg von der alten auf die neue VDI 2078 erleichtern.

Die alte Fassung der VDI 2078 besaß einige Beschränkungen, die in der neuen VDI 2078 aufgehoben wurden. Das alte Berechnungsverfahren basierte auf Typräumen, Bauschwereklassen und vorberechneten Gewichtsfunktionen mit fest vorgegebenen Schichtaufbauten der Wände. Die zu berechnenden Räume wurden mit einer Denormierung angepasst. Diese Vorgehensweise und weitere vereinfachende Annahmen führten zu Ungenauigkeiten, die mit der neuen VDI 2078 durch ein völlig neues Rechenverfahren beseitigt werden. Die neue VDI 2078 nutzt als Rechenkern ein von Rouvel und Zimmermann entwickeltes 2-Kapazitäten-Modell, das in der VDI 6007 – Blatt 1 beschrieben wird. Als Fenstermodell wird die VDI 6007 – Blatt 2 und als Modell für die solare Einstrahlung die VDI 6007 – Blatt 3 verwendet. Mit der neuen VDI 2078 werden u. a.

die Kühllast,

die Raumlufttemperatur und

die operative (gefühlte) Temperatur

berechnet, wobei Faktoren, die das thermische Verhalten des Raumes beeinflussen, berücksichtigt werden, wie z. B.:

Kühldecken (Flächenkühlung),

maschinelle und natürliche (Fenster-)Lüftung,

Regelstrategien (Ein-/Zweipunkt und Proportional-Regelung).

Die Kühllast wird folglich vom Gebäude, seiner Nutzung und maßgeblich auch von der Regelstrategie der installierten haus­technischen Anlagen bestimmt. Die regelungstechnischen Auswirkungen auf die Kühllast, z. B. 2-Punktregelung, Pro­por­tio­nal­regelung und Schwankungsbereich der Raumlufttemperatur sind somit überprüfbar.

Für das Behaglichkeitsempfinden ist neben der Raumlufttemperatur auch der Einfluss der Strahlung sämtlicher raumumschließenden Flächen von Bedeutung. Mit der operativen Tempe­ratur steht ein Rechenwert zur Verfügung, der zunehmend an Bedeutung gewinnt.

Rückkopplung der Anlagen

Die Lastabfuhr über eine Zuluftanlage oder Flächenkühlung, z.B. Kühldecke, führt zu einer Rückkopplung der Anlage auf das Berechnungsergebnis, sobald sich die Raumlufttemperatur ändert. Die Temperaturdifferenz zwischen Zuluft-Temperatur und Raumluft-Temperatur bzw. Kühlflächen-Temperatur und Raumluft-Temperatur wirkt sich unmittelbar auf die Leistung der Anlage aus. Eine steigende Raumlufttemperatur erhöht die Temperaturdifferenz und führt zu einer höheren Leistung, eine sinkende Raumlufttemperatur verringert die Temperaturdifferenz und führt zu einer geringern Leistung der Anlage. Diese Rückkopplung wird in der neuen VDI 2078 berücksichtigt. Sofern eine Anlagenkombination aus Zuluft und Flächenkühlung berechnet werden soll, müssen die Anlagen-Leistungsanteile (stundenweise) prozentual vorgegeben werden. Die Lasten werden anteilig entsprechend der Vorgaben abgeführt.

Folgendes ist jedoch nicht direkt berechenbar: Die Anlage soll die Last zur Einhaltung einer vorgegebe­nen Solltemperatur mit einer Flächenkühlung abführen. Erst wenn die Flächenkühlung nicht ausreichend ist, soll Zuluft zur Lastabfuhr eingesetzt werden. In diesem Fall müssten sich die Anlagen-Leistungsanteile in Abhängigkeit von der anfallenden Last verändern. Das ist nicht möglich, da die Anlagen-Leistungsanteile durch das Berechnungsverfahren der VDI 2078 als konstante Eigenschaft des Raum-Anlagenmodells angesehen werden.

Bauteile

In der alten VDI 2078 war die Angabe eines Schichtaufbaus durch die Verwendung von Typräumen und Denormierungen nicht erforderlich, was jedoch zu Ungenauigkeiten führte.

Bessere Ergebnisse erfordern oft auch einen höheren Eingabe­aufwand. Das Speicherverhalten eines Raumes kann nur dann ge­nauer berücksichtigt werden, wenn alle Bauteile der Raum­um­schließungsfläche mit exakten Wandaufbauten (Wandschichten) bekannt sind. Es ist daher zwingend erforderlich (im Gegensatz zur Heizlastberechnung EN 12831), alle Bauteile mit deren Wandschichten von innen nach außen zu erfassen, wobei für jede Schicht die bauphysikalischen Eigenschaften anzugeben sind.

Abgehängte Decken sind besonders zu beachten. Das Speicherverhalten einer abgehängten Decke wird durch die Luftschicht deutlich verändert und muss im Gegensatz zur Heizlastberechnung unbedingt berücksichtigt werden.

Kühlfläche verändert Bauteileigenschaft

Kühlflächen sind als fester Bestandteil des Raumes anzusehen und besitzen separat zu definierende bauphysikalische Eigenschaften.

So ist z. B. die in eine Decke inte­grierte Kühlfläche in zwei separate Bauteile zu unterteilen: eine Bauteilfläche ohne Kühlfläche und einee mit Kühlfläche. Um die Speicherfähigkeit eines Bauteils mit Kühlfläche exakt abzubilden, müssten die Kühlelemente mit den Mate­rial­eigenschaften als eigene Bauteilschicht in der Bau­teilberechnung berücksichtigt werden. Da die Kühlfläche normalerweise nur aus einer dünnen Metallschicht besteht, wird sich das Speicherverhalten des Bauteils in der Regel nur un­wesentlich verändern und nur eine Ggf. sollte jedoch die Auswirkung anhand einer Beispielrechnung überprüft werden.

Bei der Definition des Bauteils mit Kühlfläche ist jedoch folgender Punkt wichtig: Das Bauteil besitzt auf der Innenseite einen Wärmeübergangswiderstand, der in der Regel 0,1 m²K/W beträgt und somit vom „normalen“ Bauteil abweicht. Dies ist bei der Eingabe der Kühlflächen(-Bauteile) unbedingt zu beachten!

Arbeitstage und

Nicht-Arbeitstage

Im Vergleich zur alten VDI 2078 fällt in der neuen die Unterscheidung zwischen Arbeitstagen (AT) und Nicht-Arbeitstagen (NAT) auf. Über diese Unterscheidung können, je nach wochentagesbezogener Raumnutzung, AT und NAT ver­schiedene Lastprofile zugewie­sen werden. Die separate Angabe von Lastprofilen für innere Lasten oder Anlagennutzungen ist für die Berechnung des Einschwingvorgangs erforderlich.

Einschwingvorgang

Die Ermittlung der Kühllast erfolgt für den Cooling Design Day (CDD) bzw. Auslegungstag, dem eine mehrtägige Anlaufperiode vorgeschaltet ist. In der alten VDI 2078 wurde empfohlen, eine Anlaufberechnung mit einem „bedeckten“ Tag des zu berechnenden Monats durchzuführen, bis ein eingeschwungener (periodischer) Zustand erreicht wurde. Daran anschließend erfolgte die Berechnung für den extremen „klaren“ Tag. Auch der klare Tag, d.h. die extreme Wettersituation, sollte bis zum eingeschwungenen Zustand berechnet werden. Diese Vorgehensweise führte insbesondere bei thermisch schweren Räumen zu Verzerrungen im Vergleich zu thermisch leichten Räumen, da die Dauer extremer Wettersituationen nicht für einen eingeschwungenen Zustand thermisch schwerer Räume ausreicht.

Die neue VDI 2078 verfolgt daher den Ansatz des „aperiodischen Einschwingens“. Die Berechnung wird für eine Cooling Design Period (CDP) durchgeführt. An eine 14-tägige Vorberechnung eines mittleren bedeckten oder bewölkten Tages schließt sich eine viertägige Anlaufberechnung an, in der die Strahlungswerte des CDD und ein kontinuierlicher Anstieg der Außenlufttemperatur angesetzt werden. Anschließend erfolgt die Berechnung des CDD mit den maximalen Temperaturen. Für die gesamte CDP wird eine definierte Abfolge von AT und NAT verwendet. Die Berechnung mit „perio­dischem Einschwingen“ ist auch mit der neuen VDI 2078 möglich. Diese Berechnungsmethode sollte jedoch nur dann durchgeführt werden, wenn die Einhaltung von Temperatursollwerten, z. B. aus technologischen Gründen, garantiert werden muss.

Beleuchtung

Die Wärmebelastung durch Beleuchtung kann einen erheblichen Einfluss auf die Kühllast bzw. Raumlufttemperatur haben. Daher wird in Abhängigkeit der nutzungsbedingten Helligkeitsanforderungen bei Bedarf eine Beleuchtungssteue­rung berücksichtigt. Über den Tageslichtquotienten, der das Verhältnis der Beleuchtungsstärke im Raum (durch Sonnenlicht) zur Beleuchtungsstärke im Freien beschreibt, wird für den Raum die Beleuchtungsstärke definiert. Ab einem Wert von 4 % kann man von einer optimalen Tageslichtversorgung ausgehen. Für Wohnräume sind jedoch auch geringere Werte möglich.

Eine Beleuchtungssteuerung für künstliches Licht wird beim Unterschreiten der Beleuchtungsstärke (durch Sonnenlicht) und bei Betätigung der Jalousien die Raumbeleuchtung einschalten. Die zur Helligkeitsberechnung benötigten Licht-Transmissionsgrade werden in den Daten für Fenster berücksichtigt. Mit dem Auftraggeber sollte die Berücksichtigung der Beleuchtungssteuerung und des anzusetzenden Tageslichtquotienten abgeklärt werden.

Klimadaten

Die für einen Cooling Design Day (CDD) bzw. Auslegungstag be­rechnete Kühllast dient zur Ermittlung der erforderlichen Anlagen­leistungen. Hierzu wird Deutschland in vier Klimazonen und drei Großstadtzentren unterteilt. Die Temperaturverläufe eines klaren und eines bedeckten Tages werden für jede Zone für die Monate April bis September vorgegeben. Anhand weniger Kennwerte (minimalen und maximale Temperatur, Zeitpunkt) wird ein sinusförmiger Temperaturverlauf ermittelt, so dass auch Temperaturverläufe anderer Orte auf der Nordhalbkugel schnell nachgebildet werden können.

Für energetische Berechnungen nach VDI 2067-Blatt 10 stehen Test-Referenzjahr-Daten (TRY) des Deutschen Wetterdienstes für 15 Regionen Deutschlands zur Verfügung. Die stundenweise Berechnung eines kompletten Jahres mit den TRY-Wetterdaten wird zur Ermittlung der erforderlichen ab- und zuzuführenden Energien durchgeführt. Die Spitzenwerte dieser Lasten dürfen nicht zur Auslegung der Anlagen herangezogen werden, da die TRY-Wetterdaten ein durchschnittliches Jahr repräsentieren, in dem extreme Wettersituationen, wie z. B. längere Hitzeperioden, nicht enthalten sind. Daher sollte zur Ermittlung der erforderlichen Anlagenleistung in jedem Fall eine Berechnung für den CDD durchgeführt werden. Berechnungen des Energiebedarfs für Standorte außerhalb Deutschlands können mit entsprechenden TRY-Datensätzen des gewünschten Standorts durchgeführt werden. Diese Datensätze sind jedoch nicht Bestandteil der Richtlinie und müssen bei Bedarf extern, z. B. von Meteonorm, bezogen werden.

Strahlungswerte für Wände und Fenster

In der alten VDI 2078 wurden die kurzwelligen Strahlungswerte für Fenster und Außenflächen separat angegeben. Für Fenster sollte der vom Einstrahlwinkel abhängige Energieeintrag berücksichtigt werden, wofür die Strahlungswerte hinter Doppelverglasung verwendet wurden. Näherungsweise wurden andere Verglasungsarten und Sonnenschutzvorrichtungen mit einem sogenannten „b-Wert“ korrigiert, für den in der Richtlinie einige Richtwerte angegeben waren. Durch die Kopplung der Werte an die Doppelverglasung war es problematisch oder gar unmöglich, andere Fenster-/Glasarten korrekt abzubilden. Zudem waren die Strahlungswerte auf den Breitengrad Deutschlands bezogen, wodurch Anwender bei Berechnungen für andere Breitengrade
vor einer weiteren Hürde standen. Woher sollten Sie die passenden Werte bekommen?

In der neuen VDI 2078 wird ein allgemeiner und daher vielseitig anwendbarer Ansatz gewählt. Das in der VDI 6007-Blatt 3 enthaltene Modell der solaren Einstrahlung liefert die Werte für kurzwellige Einstrahlungen auf horizontale und beliebig geneigte Flächen beliebiger Breitengrade, nicht nur für opake Außenflächen, sondern auch für Fenster einschließlich eines eventuell vorhandenen Sonnenschutzes. Zur Berechnung der Gesamt-Energie-Durchlassgrade beschreibt die VDI 6007-Blatt 2 ein Fenstermodell zur Berechnung einfacher und auch komplexerer Fensteraufbauten. Zur einfacheren Handhabung sind für die üblichen Verglasungsarten sowie Sonnenschutzsysteme in der VDI 2078 direkt verwendbare Standardwerte angegeben:

Einfachverglasung,

Zweifach-Isolierverglasung,

Zweifach-Wärmeschutzverglasung,

Zweifach-Sonnenschutzverglasung,

Zweifach-Sonnenschutzverglasung, verspiegelt,

Dreifach-Wärmeschutzverglasung.

Darüber hinaus sind auch Werte für zweischalige Fassaden

ESG außen, Zweifach-Sonnenschutzverglasung innen

ESG außen, Zweifach- und Dreifach-Wärmeschutzverglasung innen

aufgeführt, wobei zwischen durchlüfteten und nicht durchlüfteten Fassaden unterschieden wird.

Für alle Verglasungsarten und Sonnenschutzkombinationen sind die für die Kühllastberechnung erforderlichen Werte in der VDI 2078 aufgeführt:

Gesamtenergie-Durchlassgrad;

Gesamtenergie-Durchlassgrad, direkte Strahlung;

Gesamtenergie-Durchlassgrad, diffuse Strahlung;

konvektiver Anteil;

Licht-Transmission, direkte Strahlung;

Licht-Transmission, diffuse Strahlung.

Fazit

Die Kühllastberechnung nach der neuen VDI 2078 (2015) erfordert zwar einen etwas höheren Eingabeaufwand, „belohnt“ jedoch den Anwender mit einer wesentlich höheren Genauigkeit der Berechnungsergebnisse.

Um die Qualität der Ergebnisse eines Programmes sicherzustellen, verlangt die VDI 2078 zwingend die Validierung der Software. Der Softwarehersteller muss bestätigen, dass alle Validierungsbeispiele der VDI 6007 und auch die zusätzlichen Validierungsbeispiele der VDI 2078 korrekt berechnet werden.