Erhöhung der Anwendbarkeit vereinfachter Berechnungsverfahren zur Bestimmung des Heizwärme- und Kühlbedarfs von Gebäuden : als Basis für ein Sicherheitskonzept

Abstract

Um die Anwendbarkeit der in Europa gängigen Methoden zur Berechnung des Energiebedarfs für das Heizen und Kühlen von Gebäuden zu erhöhen, wurden in der vorliegenden Arbeit die Genauigkeiten vereinfachter Berechnungsverfahren für den Heizwärme- und Kühlbedarf untersucht. Die Methode, die in Österreich zur Ermittlung des Heizwärme- und Kühlbedarfs von Gebäuden herangezogen wird, ist das monatsbezogene Bilanzverfahren, oftmals auch Monatsbilanzverfahren genannt.<br />Dieses ist in der europäischen Norm EN ISO 13790 beschrieben und die dort angeführten Berechnungsverfahren stellen den europäischen Standard dar.<br />Das vereinfachte monatsbezogene Bilanzverfahren beruht auf einem empirisch gefundenen Ausnutzungsgrad für den eine eindeutige mathematische Ableitung fehlt.<br />Dies führte in dieser Arbeit zu einer systematischen Untersuchung der Rechengenauigkeit an tausenden von Gebäudemodellen, also zu einer Parametervariation. Unter dieser Systematik ist die sukzessive Veränderung der Gebäudeparameter, um den gesamten technisch realisierbaren Bereich von Parameterkombinationen für Gebäude darzustellen, zu verstehen. Die Kopplungseigenschaften der Gebäudezonen spielen für die Genauigkeit des Rechenverfahrens eine entscheidende Rolle. Bei der Erhöhung der Anwendbarkeit vereinfachter Rechenverfahren ist zum Einen die Genauigkeit der Verfahren zu überprüfen und zum Anderen die Vorhersagegenauigkeit bei Veränderung der Gebäudeparameter zu kontrollieren. Das führt dazu, dass zum Beispiel bei Sanierungsmaßnahmen an Gebäuden Aussagen über die Energieeinsparung getroffen werden können und die Anwendung eines vereinfachten Berechnungsverfahrens in so einem Fall gerechtfertigt ist. Beide Anforderungen an solche Verfahren wurden in der gegenständlichen Arbeit überprüft. Es gab davor bereits mehrere Anstrengungen die Rechenungenauigkeit des vereinfachten Bilanzverfahrens festzustellen, diese wissenschaftlichen Arbeiten werden angeführt und diskutiert. In diesen wird der gesamten Unschärfe des Rechenverfahrens, besonders bei sehr kleinen Energiebedarfswerten, nicht Rechnung getragen. Eine vereinfachte Untersuchung der Rechengenauigkeit des Verfahrens für den Kühlbedarf anhand von Büroboxen ergab eine Abweichung des Verfahrens von ungefähr 40 Prozent für Wien. Die vereinfachte Untersuchung der Rechenungenauigkeit des Monatsbilanzverfahrens führte zu einer systematischen Variation eines Sechszonenmodells mit Büronutzung. Dabei konnte festgestellt werden, dass die gewünschte Vorhersagegenauigkeit des vereinfachten Verfahrens bei Gebäudeparametervariation gegeben ist.<br />Abschließend wurde an einem Büromodell die Rechenungenauigkeit des Monatsbilanzverfahrens für den Heizwärme- und Kühlbedarf für Wien quantifiziert. Die Feststellung der Rechenungenauigkeit des vereinfachten Verfahrens führte zu Korrekturfaktoren, die auch als Teilsicherheitsbeiwerte aufgefasst werden können. Die festgelegten Teilsicherheitsbeiwerte können als Basis für ein semiprobabilistisches Sicherheitskonzept bei der Ermittlung des Heizwärme- und Kühlbedarfs für Gebäude dienen. Bei der Betrachtung der Rechenabweichungen ist zu erkennen, dass bestimmte Nutzungsannahmen größere Ungenauigkeiten des Rechenverfahrens ergeben als andere. Die Unschärfe des vereinfachten Verfahrens ist größer als sie in der EN ISO 13790 angegeben ist. Für den Kühlbedarf sind die Teilsicherheitsbeiwerte für Wien, abhängig von der Zonierungsweise, mit 1.25 für eine Einzonenbilanz und mit 1.15 für eine Mehrzonenbilanz festgelegt worden. Für den Heizwärmebedarf kann die Korrektur entfallen, sofern das Monatsbilanzverfahren nicht für sehr kleine Luftwechselzahlen und ungekoppelte Systeme herangezogen wird.<br />

To increase the practicability of calculation methods for the energy demand for heating and cooling of buildings, this work investigate the precision of simplified calculation methods for the heating and cooling demand. The method which is used in Austria forthe calculation of heating and cooling demand of buildings is the so called monthly balanced method. This method is described in the European draft EN ISO 13790. The simplified monthly balanced method is based on an utilization factor, for this factor there is no specific mathematical derivation, the factor is founded on an empirical formula. In this work this leads to a systematically examination of the accuracy of calculation for thousands of virtual building models, a parametric variation. The systematically examination is the variation of the building parameters to get the whole technically possible parameter combinations for buildings. The effects of coupled zones are very important for the precision of simplified calculation methods. For increasing the practicability of simplified calculation methods on the one side the precision of the method is important on the other side the prediction accuracy by changing the building parameters is fundamental.<br />Both demands for simplified calculation method are verified in this work. There are scientific articles which take a look on the precision of the monthly balanced method, these works are discussed here. These former works do not show the whole imprecision of the simplified method, especially for small energy demands. A simplified investigation of the precision of the calculation method for the cooling demand for office boxes, leads to an imprecision of 40 percent of the simplified method for Vienna. The next step was the systematically study of a six zone model which is used as an office. For this model the prediction accuracy of the monthly balanced method for changing the building parameters was verified. At the end the precision of the simplified method was quantified for an office model for the heating and cooling demand for Vienna. The conclusion of the study for an office model was the correction factors for the simplified method. This correction factors can be safety factors for a semiprobabilistic safety concept for the calculation of heating and cooling demand. The imprecision of the simplified method is higher than the validation of monthly calculation method, as in the draft EN ISO 13790 is exposed. For the cooling demand for Vienna the safety factor is 1.25 for the one zone method and 1.15 for the multi-zone method. For the heating demand there is no safety factor, if the simplified method is not used for little air change rates and uncoupled models.