Validierungsstandards für Gebäudesimulationssoftware

Validierungsstandards wie ASHRAE Standard 140, EN 15255/15265, EN 13791 und CIBSE TM 33 pruefen die korrekte Implementierung physikalischer Algorithmen in Gebaeudesimulationssoftware anhand definierter Testfaelle mit Referenzergebnissen. Fuer den sommerlichen Waermeschutz in Deutschland sind EN 13791 und DIN 4108-2 massgeblich, international gilt ASHRAE 140 als Mindeststandard. Die Validierungsdokumentation eines Programms ist ein zentrales Auswahlkriterium fuer Planer und Ingenieure.

Warum Validierung?

Ein Simulationsprogramm für die dynamische Gebäudesimulation löst komplexe physikalische Gleichungen — Wärmeleitung, Strahlung, Konvektion, Lüftung, Anlagenregelung. Fehler in der Implementierung führen zu fehlerhaften Ergebnissen, die in der Praxis schwer zu erkennen sind. Validierungsstandards schaffen eine objektive Grundlage, um die korrekte Implementierung der physikalischen Algorithmen zu prüfen. Sie ersetzen nicht die Plausibilitätsprüfung durch den Anwender, geben aber die Sicherheit, dass der Rechenkern korrekt arbeitet.

ASHRAE Standard 140

Hintergrund

ASHRAE Standard 140 (Standard Method of Test for the Evaluation of Building Energy Analysis Computer Programs) ist der international am weitesten verbreitete Validierungsstandard. Er wurde erstmals 2001 veröffentlicht und wird regelmäßig aktualisiert. Der Standard geht auf die BESTEST-Prozedur (Building Energy Simulation Test) zurück, die in den 1990er-Jahren im Rahmen der IEA (International Energy Agency) entwickelt wurde.

Testfälle

Der Standard umfasst mehrere Testserien:

• Gebäudehülle (Building Thermal Envelope): Testfälle mit einem einfachen Einzonengebäude unter verschiedenen Randbedingungen — opake Bauteile, Verglasungen, Sonnenschutz, interne Lasten, Nachtlüftung, Erdreichkontakt. Die Ergebnisse (Heiz- und Kühlenergiebedarf, Spitzenlasten) werden mit Referenzergebnissen mehrerer validierter Programme verglichen.
• HVAC-Systeme: Testfälle für mechanische Kühlung und Heizung, einschließlich Leistungsregelung und Teillastverhalten.
• Erdreichkontakt (Ground-Coupled Heat Transfer): Seit der Erweiterung 2017 zusätzliche Testfälle für Wärmeübertragung über erdberührte Bauteile.

Bewertung

Es gibt kein starres Bestehen oder Durchfallen. Die Ergebnisse eines Programms werden mit der Bandbreite der Referenzprogramme verglichen. Liegt ein Ergebnis außerhalb dieser Bandbreite, ist eine Untersuchung erforderlich — es kann ein Fehler im Programm vorliegen, aber auch ein legitimer Modellierungsansatz, der sich von den Referenzprogrammen unterscheidet.

Software mit ASHRAE-140-Validierung

EnergyPlus, IDA ICE, TRNSYS, ESP-r, VICUS Buildings (via NANDRAD/SimQuality) und viele weitere Programme haben ASHRAE-140-Testfälle durchlaufen und veröffentlichen die Ergebnisse.

EN 15255 und EN 15265

Hintergrund

Die europäischen Normen EN 15255 und EN 15265 sind Teil des EPBD-Normenpakets (Energy Performance of Buildings Directive) und definieren Validierungstestfälle für Simulationsprogramme, die im Rahmen der europäischen Energieeinspargesetzgebung eingesetzt werden.

• EN 15255 (Energy performance of buildings — Sensible room cooling load calculation — General criteria and validation procedures): Definiert Testfälle für die Berechnung der sensiblen Kühllast eines Raumes. Die Testfälle prüfen die korrekte Abbildung solarer Einstrahlung, interner Lasten und der thermischen Speichermasse.
• EN 15265 (Energy performance of buildings — Calculation of energy needs for space heating and cooling using dynamic methods — General criteria and validation procedures): Definiert Testfälle für die Berechnung des Heiz- und Kühlenergiebedarfs mit dynamischen Verfahren. Die Norm umfasst 12 Testfälle mit einem Einzonengebäude unter systematisch variierten Randbedingungen (Orientierung, Verglasung, Verschattung, interne Lasten, Lüftung, Regelung).

Bedeutung

EN 15255 und EN 15265 sind besonders relevant für den europäischen Markt, da sie die Grundlage für die Anerkennung dynamischer Simulationsverfahren im Rahmen der nationalen Energieeinsparverordnungen bilden. In Deutschland ist die dynamische Simulation nach DIN 4108-2 als Nachweisverfahren für den sommerlichen Wärmeschutz zugelassen — die zugrundeliegende Software sollte die EN-Validierung bestanden haben.

Software mit EN-15255/15265-Validierung

IDA ICE hat die Validierung nach EN 15265 veröffentlicht und ist damit eines der wenigen Programme, die sowohl ASHRAE 140 als auch die europäischen Normen abdecken. EnergyPlus und TRNSYS werden ebenfalls gegen diese Normen geprüft, veröffentlichen die Ergebnisse aber nicht immer explizit.

EN 13791

Hintergrund

EN 13791 (Thermal performance of buildings — Calculation of internal temperatures of a room in summer without mechanical cooling — General criteria and validation procedures) definiert Testfälle für die Berechnung sommerlicher Raumtemperaturen ohne aktive Kühlung. Die Norm ist besonders relevant für den Nachweis des sommerlichen Wärmeschutzes.

Testfälle

Die Norm umfasst vier Validierungstestfälle:

1. Testfall 1: Einzonenraum mit konstanter Außentemperatur und definierten internen Lasten — prüft die stationäre Wärmebilanz.
2. Testfall 2: Einzonenraum mit periodisch schwankender Außentemperatur — prüft die Abbildung thermischer Speichermasse.
3. Testfall 3: Einzonenraum mit realistischem Klima und Sonneneinstrahlung — prüft die Gesamtabbildung des sommerlichen Verhaltens.
4. Testfall 4: Mehrzonenmodell mit Wärmeübertragung zwischen Räumen.

Bedeutung

EN 13791 ist die maßgebliche Validierungsnorm für den Nachweis des sommerlichen Wärmeschutzes in Europa. Programme, die für den Simulationsnachweis nach DIN 4108-2 eingesetzt werden, sollten diese Validierung bestanden haben.

IEA SHC Task 34 / EBC Annex 43

Hintergrund

IEA SHC Task 34 (Testing and Validation of Building Energy Simulation Tools) war ein internationales Forschungsprojekt der International Energy Agency (Solar Heating and Cooling Programme), das von 2003 bis 2008 lief. Es wurde gemeinsam mit dem EBC Annex 43 (Testing and Validation of Building Energy Simulation Tools) des Energy in Buildings and Communities Programme durchgeführt.

Inhalte

Das Projekt ging über die bestehenden BESTEST-Testfälle hinaus und entwickelte zusätzliche Validierungsprozeduren:

• Multi-Zonen-Modelle: Testfälle für Gebäude mit mehreren thermisch gekoppelten Zonen, einschließlich Wärmeübertragung durch Innenwände.
• Erdreichkontakt: Erweiterte Testfälle für erdberührte Bauteile, die später in ASHRAE 140 übernommen wurden.
• Mechanische Systeme: Testfälle für HVAC-Komponenten und deren Regelung.
• Empirische Validierung: Vergleich von Simulationsergebnissen mit Messdaten aus realen Gebäuden und Testzellen.

Bedeutung

IEA SHC Task 34 hat die Validierungsmethodik für Gebäudesimulation wesentlich weiterentwickelt. Viele der entwickelten Testfälle sind in nachfolgende Normenaktualisierungen eingeflossen. Die empirische Validierung — der Vergleich mit realen Messdaten, wie sie auch bei einem Digitalen Zwilling anfallen — ergänzt die analytische Validierung der anderen Standards und erhöht die Aussagekraft erheblich.

Teilnehmende Software

Am Projekt waren u. a. EnergyPlus, ESP-r, IDA ICE, TRNSYS und VA114 beteiligt. IDA ICE hat im Rahmen von Task 34 umfangreiche Validierungsergebnisse veröffentlicht, insbesondere für Multi-Zonen-Modelle und empirische Testfälle.

CIBSE TM 33

Hintergrund

CIBSE TM 33 (Tests for Software Accreditation and Verification) wurde vom Chartered Institution of Building Services Engineers (CIBSE) im Vereinigten Königreich entwickelt. Es definiert Testfälle für die Akkreditierung von Simulationssoftware im Rahmen der britischen Bauvorschriften (Building Regulations Part L).

Testfälle

TM 33 umfasst eine Reihe von Testfällen, die sich auf die in der britischen Praxis relevanten Berechnungen konzentrieren:

• Heiz- und Kühlenergieberechnung
• Tageslichtberechnung
• Überhitzungsrisiko (Sommerlicher Wärmeschutz)
• CO2-Emissionsberechnung

Bedeutung

TM 33 ist besonders relevant für Projekte im Vereinigten Königreich. Die CIBSE-Akkreditierung ist in vielen Fällen Voraussetzung für die Verwendung einer Simulationssoftware im Rahmen der britischen Energieeffizienzvorschriften.

Software mit TM-33-Validierung

IDA ICE ist nach CIBSE TM 33 akkreditiert und kann damit für Nachweise nach den britischen Building Regulations eingesetzt werden. Auch DesignBuilder (via EnergyPlus) und TAS sind CIBSE-akkreditiert.

Vergleichstabelle: Validierungsstandards nach Software

Stand: April 2026. ”–” bedeutet: nicht veröffentlicht oder nicht durchgeführt.

IDA ICE im Detail

IDA ICE (Indoor Climate and Energy) von EQUA Simulation AB verfügt über eine der umfangreichsten Validierungshistorien am Markt. Die Software hat folgende Validierungen durchlaufen und veröffentlicht:

• ASHRAE 140: Vollständige Testserien für Gebäudehülle und HVAC-Systeme.
• EN 15265: Alle 12 Testfälle bestanden; die Ergebnisse liegen innerhalb der Referenzbandbreite.
• EN 15255: Kühllastberechnung validiert.
• EN 13791: Alle vier Testfälle für sommerliche Raumtemperaturen bestanden.
• IEA SHC Task 34 / Annex 43: Aktive Teilnahme am Forschungsprojekt mit Ergebnissen für Multi-Zonen-Modelle und empirische Validierung.
• CIBSE TM 33: Akkreditiert für den Einsatz im Rahmen der britischen Building Regulations.

Diese breite Validierungsbasis macht IDA ICE zu einem der am besten validierten kommerziellen Simulationsprogramme. Für Projekte, die eine formale Validierung nach europäischen Normen erfordern, ist dies ein relevanter Vorteil.

VICUS Buildings und SimQuality

VICUS Buildings verwendet die Simulationsengine NANDRAD, die im Rahmen des SimQuality-Projekts validiert wurde. SimQuality ist ein deutsches Forschungsprojekt, das spezifische Validierungstestfälle für Gebäudesimulationssoftware entwickelt hat. Die Testfälle orientieren sich an ASHRAE 140, ergänzen diesen aber um weitere praxisnahe Szenarien. Darüber hinaus wurde NANDRAD gegen ASHRAE-140-Testfälle geprüft.

Die Validierung nach EN 15255, EN 15265 und EN 13791 befindet sich in Vorbereitung. Für den Nachweis des sommerlichen Wärmeschutzes nach DIN 4108-2 ist VICUS Buildings bereits einsetzbar.

Welcher Standard für welchen Zweck?

Fazit

Validierung ist kein einmaliges Gütesiegel, sondern ein fortlaufender Prozess. Jede neue Programmversion sollte gegen die relevanten Standards geprüft werden. Für Anwender ist die veröffentlichte Validierungsdokumentation ein wichtiges Auswahlkriterium bei der Softwareauswahl — sie zeigt nicht nur, dass ein Programm korrekt rechnet, sondern auch, dass der Hersteller Transparenz über die Leistungsfähigkeit seiner Software herstellt.

Bei der Auswahl einer Simulationssoftware sollte die Validierung im Kontext des Anwendungsfalls bewertet werden: Für den sommerlichen Wärmeschutz in Deutschland sind EN 13791 und DIN 4108-2 maßgeblich. Für internationale Projekte ist ASHRAE 140 der Standard. Für den britischen Markt ist CIBSE TM 33 relevant. VICUS Buildings deckt mit SimQuality und ASHRAE 140 die Kernvalidierung ab und erweitert diese sukzessive um die europäischen Normen.

Weiterführende Artikel: Dynamische Gebäudesimulation beschreibt die physikalischen Grundlagen, deren korrekte Implementierung durch die Validierungsstandards geprüft wird, Gebäudesimulation Software im Vergleich vergleicht die Validierungsstände der wichtigsten Simulationsprogramme, und Stationäre vs. dynamische Berechnung erläutert, wann die validierte dynamische Simulation dem stationären Verfahren vorzuziehen ist.

Quellen und Normen

• ASHRAE Standard 140 — Standard Method of Test for the Evaluation of Building Energy Analysis Computer Programs
• VDI 6020 — Anforderungen an Rechenverfahren zur Gebäude- und Anlagensimulation
• Judkoff, R.; Neymark, J. (1995): International Energy Agency Building Energy Simulation Test (BESTEST) and Diagnostic Method. NREL/TP-472-6231.