Dynamische Gebäudesimulation — Grundlagen und Anwendung

Die dynamische Gebaeudesimulation berechnet das thermische Verhalten eines Gebaeudes in stuendlichen oder feineren Zeitschritten ueber ein ganzes Jahr und liefert dabei Raumtemperaturen, Heiz- und Kuehllastverlaeufe sowie Komfortwerte fuer jede Zone. Im Gegensatz zur stationaeren Energiebilanz nach DIN V 18599 bildet sie Speichereffekte der Baumasse, variable Wetterdaten und wechselnde Nutzungsprofile physikalisch korrekt ab und ist damit unverzichtbar fuer den sommerlichen Waermeschutz nach DIN 4108-2, Komfortanalysen und die Anlagendimensionierung.

Prinzip der dynamischen Simulation

Zeitliche Auflösung

Das Kernmerkmal der dynamischen Simulation ist die Berechnung in diskreten Zeitschritten. Übliche Zeitschrittweiten liegen bei einer Stunde oder darunter. Viele Simulationsprogramme arbeiten mit Zeitschritten von 15 Minuten, 5 Minuten oder sogar 1 Minute, wenn schnelle Regelvorgänge abgebildet werden sollen. In jedem Zeitschritt wird die Energiebilanz aller Zonen, Bauteile und Anlagenkomponenten neu gelöst.

Die Energiebilanz einer thermischen Zone lautet in vereinfachter Form:

Dabei ist $C_{Zone}$ die wirksame Wärmekapazität der Zone (in J/K), $T_{Zone}$ die Zonenlufttemperatur und die $\dot{Q}$-Terme die jeweiligen Wärmeströme. Die Wärmekapazität sorgt dafür, dass das Gebäude auf Änderungen der Randbedingungen nicht sofort, sondern mit zeitlicher Verzögerung reagiert — ein Effekt, der in stationären Verfahren nur näherungsweise erfasst wird.

Wärmeleitung in Bauteilen

Die Wärmeleitung durch Wände, Decken und Dächer wird nicht als stationärer Wärmedurchgang behandelt, sondern als instationärer Vorgang. Die eindimensionale Wärmeleitungsgleichung

wird für jedes Bauteil numerisch gelöst, typischerweise durch Diskretisierung in mehrere Schichten (Finite-Differenzen-Verfahren oder Transferfunktionen). Dadurch werden Effekte wie die thermische Trägheit schwerer Bauteile (Beton, Mauerwerk) korrekt abgebildet. Eine 30 cm dicke Betonwand kann solare Wärmegewinne über mehrere Stunden speichern und zeitversetzt wieder abgeben — ein Effekt, der für den sommerlichen Wärmeschutz entscheidend ist.

Solare Einstrahlung

Die solare Einstrahlung wird für jede Zeitstunde und jede Fassadenorientierung aus Klimadaten berechnet. Dabei werden direkte und diffuse Strahlung unterschieden, die Einfallswinkelabhängigkeit der Verglasung berücksichtigt und Verschattungen durch Nachbargebäude, Überhänge oder Sonnenschutzvorrichtungen geometrisch ermittelt. Die durch Fenster eintretende Solarstrahlung wird auf die Raumumschließungsflächen verteilt und dort absorbiert oder reflektiert.

Erforderliche Eingabedaten

Eine dynamische Gebäudesimulation benötigt deutlich mehr Eingabedaten als eine stationäre Berechnung. Die wichtigsten Kategorien sind:

Gebäudegeometrie

Die dreidimensionale Geometrie des Gebäudes muss erfasst werden: Abmessungen und Orientierung aller Außen- und Innenwände, Decken, Böden und Fenster. Die geometrische Genauigkeit bestimmt maßgeblich die Qualität der Verschattungsberechnung und der solaren Gewinne. Moderne Simulationsprogramme ermöglichen den Import von BIM-Modellen (IFC-Format), was den Aufwand für die Geometrieeingabe erheblich reduziert.

Bauteilaufbauten und Materialien

Für jede Bauteilschicht werden Wärmeleitfähigkeit $\lambda$, Dichte $\rho$ und spezifische Wärmekapazität $c$ benötigt. Bei Verglasungen kommen der g-Wert (Gesamtenergiedurchlassgrad) und der U-Wert hinzu. Die thermischen Eigenschaften der inneren Bauteilschichten sind für die dynamische Simulation besonders wichtig, da sie die Speicherfähigkeit bestimmen.

Klimadaten

Die Simulation benötigt stündliche Klimadaten für den Standort: Außenlufttemperatur, direkte und diffuse Solarstrahlung, Windgeschwindigkeit und -richtung, relative Luftfeuchtigkeit und Luftdruck. In Deutschland werden häufig Testreferenzjahre (TRY) des Deutschen Wetterdienstes verwendet, die typische meteorologische Bedingungen abbilden. Für den sommerlichen Wärmeschutz nach DIN 4108-2 werden spezielle heiße Referenzjahre eingesetzt.

Nutzungsprofile und interne Lasten

Belegungspläne, Beleuchtung, elektrische Geräte und deren Wärmeabgabe müssen als Zeitprofile definiert werden. Ein Büroraum hat beispielsweise werktags von 8 bis 18 Uhr eine Belegung von ca. 10 m² pro Person mit einer internen Last von 7 bis 10 W/m² durch Personen und Geräte. Abends und am Wochenende ist die Zone unbelebt. Diese Profile beeinflussen sowohl den Heiz- und Kühlbedarf als auch die Raumtemperaturen.

Anlagentechnik

Heizsysteme, Kühlsysteme, Lüftungsanlagen und deren Regelstrategien werden modelliert. Die Simulation berechnet, welche Leistung die Anlage in jedem Zeitschritt erbringen muss, um die Solltemperatur zu halten — oder welche Raumtemperatur sich ergibt, wenn die Anlage ihre Leistungsgrenze erreicht.

Typische Anwendungsbereiche

Komfortanalyse und sommerlicher Wärmeschutz

Die dynamische Gebäudesimulation ist das Verfahren der Wahl, wenn es um die Bewertung des thermischen Komforts geht. Sie liefert stündliche Raumtemperaturen und ermöglicht die Berechnung von Übertemperaturgradstunden nach DIN 4108-2. Gerade bei Gebäuden mit hohem Glasanteil, ungewöhnlicher Geometrie oder besonderen Nutzungen reicht das vereinfachte Verfahren (Sonneneintragskennwert) nicht aus.

Anlagendimensionierung

Heiz- und Kühllastberechnungen auf Basis dynamischer Simulation sind genauer als Verfahren nach DIN EN 12831, die auf stationären Extrembedingungen basieren. Die Simulation zeigt, welche Spitzenlasten tatsächlich auftreten und wie lange sie andauern. Dies ermöglicht eine bedarfsgerechte Dimensionierung, die weder zu Überdimensionierung noch zu Unterversorgung führt.

Variantenvergleich und Optimierung

Ein wesentlicher Vorteil der dynamischen Gebäudesimulation liegt im schnellen Vergleich von Planungsvarianten in verschiedenen Planungsphasen. Unterschiedliche Fassadenkonstruktionen, Verglasungstypen, Sonnenschutzstrategien oder Lüftungskonzepte lassen sich quantitativ bewerten. Typische Fragestellungen sind: Reicht eine Nachtlüftung aus, um auf eine aktive Kühlung zu verzichten? Wie wirkt sich eine Dreifachverglasung gegenüber einer Zweifachverglasung auf den Heizenergiebedarf und die sommerlichen Temperaturen aus?

Nachhaltigkeitszertifizierung

Zertifizierungssysteme wie DGNB, BREEAM und LEED fordern teilweise den Nachweis des thermischen Komforts oder der Energieeffizienz auf Basis dynamischer Simulationen. Die Simulation liefert die erforderlichen Kennwerte wie operative Raumtemperaturen, Energiebedarfswerte und CO₂-Emissionen. Die eingesetzte Software muss dabei anerkannte Validierungsstandards erfüllen.

Ergebnisse der Simulation

Die dynamische Gebäudesimulation liefert umfangreiche Ergebnisdaten. Die wichtigsten Ausgabegrößen sind:

• Raumtemperaturen (Luft- und operative Temperatur) als Stundenwerte für jede Zone
• Heiz- und Kühlenergiebedarf (jährlich, monatlich, stündlich) in kWh
• Heiz- und Kühlleistung als Zeitverlauf, einschließlich Spitzenlast in kW
• Solare Gewinne durch Fenster je Orientierung und Zone
• Wärmeströme durch einzelne Bauteile (Transmission, Lüftung, interne Gewinne)
• Übertemperaturgradstunden für den Nachweis nach DIN 4108-2

Aus diesen Daten lassen sich Energiebilanzen erstellen, die zeigen, wohin die Energie fließt und welche Maßnahmen den größten Effekt hätten.

Vorteile gegenüber stationären Verfahren

Die stationäre Energiebilanz nach DIN V 18599 arbeitet mit monatlichen Mittelwerten und pauschalisierten Ansätzen für solare Gewinne und thermische Speicherung. Sie ist für den Nachweis nach GEG (Gebäudeenergiegesetz) ausreichend und liefert schnell einen Überblick über den Energiebedarf. Für viele Fragestellungen reicht sie jedoch nicht aus:

Fazit

Die dynamische Gebäudesimulation ist ein leistungsfähiges Werkzeug, das die zeitliche Dimension des Gebäudeverhaltens abbildet. Sie wird immer dann benötigt, wenn stationäre Verfahren an ihre Grenzen stoßen: bei der Komfortbewertung, beim sommerlichen Wärmeschutz, bei der Anlagenoptimierung und beim Variantenvergleich. Der höhere Aufwand für die Dateneingabe wird durch die deutlich größere Aussagekraft und Genauigkeit der Ergebnisse gerechtfertigt. Mit zunehmender Verbreitung von BIM-Modellen und leistungsfähiger Software wie VICUS Buildings sinkt der Modellierungsaufwand stetig, sodass die dynamische Gebäudesimulation auch für Standardprojekte zunehmend wirtschaftlich wird.

Weiterführende Artikel: Stationäre vs. dynamische Berechnung vergleicht beide Verfahren und zeigt, wann welche Methode sinnvoll ist, Raumklima und Komfortanalyse vertieft die Bewertung des thermischen Komforts durch Simulation, und Sommerlicher Wärmeschutz erläutert den Simulationsnachweis nach DIN 4108-2.

Quellen und Normen

• ISO 52016-1 — Energetische Bewertung von Gebäuden — Heiz- und Kühlenergiebedarf — Teil 1: Berechnungsverfahren
• ASHRAE Standard 140 — Standard Method of Test for the Evaluation of Building Energy Analysis Computer Programs
• DIN V 18599 — Energetische Bewertung von Gebäuden — Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs