Ermittlung des Heiz- und Kühlenergiebedarfs des Naturhistorischen Museums Wien durch gebäudetechnische Modellierung und Simulation

Abstract

Die EU-Klimaziele und die hohen Energiepreise der vergangenen Jahre waren entscheidend für einen verstärkten Fokus auf energiesparende Maßnahmen und energieeffiziente Gebäude, sowohl in der Industrie als auch im privaten Bereich. Für die Gestaltung ganzheitlich effizienter Gebäude empfiehlt es sich, Gebäudesimulationen einzusetzen. Diese stellen ein starkes Werkzeug zur Vorabbewertung sowie zum Vergleich von Konzepten dar. Diese Arbeit soll einen Beitrag zur CO2-Neutralität des Naturhistorischen Museums Wien leisten. Zunächst wird ein Überblick über die Grundlagen von Gebäudesimulationen als theoretische Einführung gegeben. Darauf aufbauend wird ein geeignetes Modell des Museumsgebäudes definiert und dieses auf seinen jährlichen Heiz- und Kühlenergiebedarf untersucht. Der Kernaspekt einer Gebäudesimulation ist die Definition des thermischen Modells, welches sowohl geometrische als auch physikalische Informationen des betrachteten Gebäudes enthält. Dabei sind Annahmen und Vereinfachungen notwendig, wobei hier eine Abwägung zwischen Detailgrad und Simulationszeitaufwand getroffen werden muss. Sind teilweise keine oder unvollständige Informationen über das Gebäude und deren Nutzungstypen vorhanden, so sind aus der Literatur entsprechende Standarddaten für das Modell zu entnehmen. Es konnten für die Definition des Modells seitens des Museums zwar die meisten Informationen bereitgestellt werden, jedoch verblieben einige Datenlücken. Diese wurden dadurch geschlossen, dass unter Heranziehung von Normen und anderen Quellen für das Gebäude typische Werte identifiziert wurden. Die Beschreibung des Modells wurde in Plänen der einzelnen Geschoße, einem Raumbuch und Datenblättern der Bauteile gesammelt. Das gefundene Modell wurde in das Programm Trnsys 18 implementiert und eine energetische Gebäudesimulation durchgeführt. Dabei ergab sich ein jährlicher Heizenergiebedarf in Höhe von 1 438 MWh und ein jährlicher Kühlenergiebedarf von 223 MWh. Der im Vergleich zu dem tatsächlichen Wert aus dem Jahr 2023 um 36 % geringere Heizenergiebedarf aus der Simulation ist mit den Vereinfachungen zu begründen. Dabei ist besonders die Infiltration hervorzuheben, was auch daran zu erkennen ist, dass das Modell in Bezug auf diese die höchste Sensitivität aufweist. Beim Betrachten der Ergebnisse des Kühlenergiebedarfs wird deutlich, dass die Identifikation der tatsächlichen internen Lasten – wie auch in der Literatur beschrieben – eine Schwierigkeit darstellt.

The EU climate targets and the high energy costs of recent years have been decisive for an increased focus on energy-saving measures and energy-efficient buildings, both in industry and the personal sphere. For the design of holistically efficient buildings, it is advisable to use building simulations. These are a powerful tool for the preliminary assessment and comparison of concepts. This thesis is intended to make a contribution to the CO2 neutrality of the Natural History Museum Vienna. First, an overview of the basics of building simulations is given as a theoretical introduction. Based on this, a suitable model of the museum building is then defined and its annual heating and cooling energy demand is assessed. The core aspect of a building simulation is the definition of a thermal model, which contains both geometric and physical information about the building under consideration. Assumptions and simplifications are necessary for this model, whereby a balance must be struck between the level of detail and the simulation time expenditure. If no or incomplete information about the building and its types of use is available in some cases, appropriate standard data for the model must be taken from the literature. Although the museum could provide most of the information for the definition of the model, some data gaps remained. These gaps were filled by using standards and other sources to identify typical values for the building. The description of the model was collected in drawings of the individual floors, a room book and data sheets of the components. The model was then implemented in the Trnsys 18 program and an energy simulation of the building was carried out. This resulted in an annual heating energy demand of 1 438 MWh and an annual cooling energy demand of 223 MWh. The 36 % lower heating energy demand of the simulation compared to the actual value from 2023 can be explained by the simplifications. Infiltration should be particularly emphasized here, which can also be seen from the fact that the model has the highest sensitivity with regard to this. When looking at the results of the cooling energy demand, it can be seen that the identification of the actual internal loads represents a difficulty, as is also described in the literature.