Validierungsstandards für Gebäudesimulationssoftware

Validierungsstandards wie ASHRAE Standard 140, EN 15255/15265 (heute durch EN ISO 52016-1 ersetzt), EN ISO 13791 und CIBSE TM 33 prüfen die korrekte Implementierung physikalischer Algorithmen in Gebäudesimulationssoftware anhand definierter Testfälle mit Referenzergebnissen. Für den sommerlichen Wärmeschutz in Deutschland ist DIN 4108-2 maßgeblich; sie verweist auf EN ISO 13791 als Validierungsgrundlage für eingesetzte Simulationswerkzeuge. International gilt ASHRAE 140 als Mindeststandard. Die Validierungsdokumentation eines Programms ist ein zentrales Auswahlkriterium für 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): Mit Addendum a zu ASHRAE 140-2011 (veröffentlicht 2015) wurden Testfälle für Wärmeübertragung über erdberührte Bauteile eingeführt; sie sind seit ASHRAE 140-2017 fester Bestandteil des Standards.

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).

Status

EN 15255:2007 und EN 15265:2007 wurden zurückgezogen und durch EN ISO 52016-1:2017 (mit EN ISO 52017-1:2018 für das Lastreferenzverfahren) ersetzt. Die ursprünglichen Testfallserien werden in der Praxis weiterhin als Validierungs-Benchmark in den Berichten der Softwarehersteller verwendet und in der Literatur zitiert.

Bedeutung

EN 15255 und EN 15265 bildeten die Grundlage für die Anerkennung dynamischer Simulationsverfahren im Rahmen nationaler Energieeinsparverordnungen und fließen in dieser Funktion über EN ISO 52016-1 weiter. In Deutschland ist die dynamische Simulation nach DIN 4108-2 als Nachweisverfahren für den sommerlichen Wärmeschutz zugelassen.

Software mit EN-15255/15265-Validierung

IDA ICE hat einen Validierungsbericht zu EN 15265 veröffentlicht und ist damit eines der wenigen Programme, die sowohl ASHRAE 140 als auch die europäischen Testfallserien dokumentiert abdecken. Für EnergyPlus und TRNSYS sind keine offiziellen EN-15255/15265-Validierungsberichte öffentlich verfügbar.

EN ISO 13791

Hintergrund

EN ISO 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 die Validierung von Simulationswerkzeugen, die für den Nachweis des sommerlichen Wärmeschutzes eingesetzt werden.

Testfälle

Die Norm umfasst vier Validierungstestfälle, die jeweils einen physikalischen Teilmechanismus isolieren:

1. Testfall 1 — Wärmeleitung durch opake Bauteile: prüft die korrekte Abbildung der instationären Wärmeleitung und der thermischen Speichermasse.
2. Testfall 2 — Langwellige Strahlungsbilanz im Innenraum: prüft den Strahlungsaustausch zwischen den Innenoberflächen.
3. Testfall 3 — Kurzwellige Strahlung und Verschattung: prüft die Verteilung der Solarstrahlung im Raum sowie die Verschattungsberechnung.
4. Testfall 4 — Zusammengesetzter Mehrraumtest: prüft die korrekte Kopplung der Teilmodelle in einem Mehrzonenmodell mit Wärmeübertragung zwischen Räumen.

Status

EN ISO 13791 wurde am 9. April 2025 zurückgezogen; die Berechnungsmethodik ist in EN ISO 52016-1 und EN ISO 52017-1 überführt worden. In Deutschland verweist DIN 4108-2 weiterhin auf EN ISO 13791 als Validierungsgrundlage für eingesetzte Simulationswerkzeuge, sodass die Testfälle in der Praxis weiterhin Anwendung finden.

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 2007 lief; die Abschlussberichte erschienen bis 2009. 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, 2006) wurde vom Chartered Institution of Building Services Engineers (CIBSE) im Vereinigten Königreich entwickelt. Es definiert eine Reihe von Testfällen, mit denen Hersteller die korrekte Implementierung ihrer Simulationssoftware demonstrieren können. CIBSE hat das Dokument inzwischen archiviert.

Testfälle

TM 33 umfasst Testfälle, die sich auf die in der britischen Praxis relevanten Berechnungen konzentrieren:

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

Bedeutung und Abgrenzung zur Part-L-Akkreditierung

TM 33 wird von Softwareherstellern häufig als Selbstverifikation veröffentlicht und dient Anwendern als Vertrauenssignal. Sie ist aber nicht der formale Akkreditierungsweg für die britischen Bauvorschriften: Part-L-Nachweise erfolgen über die National Calculation Methodology (NCM) — für Wohngebäude mittels SAP, für Nichtwohngebäude mittels SBEM oder freigegebener Dynamic Simulation Models (administriert durch BRE/MHCLG).

Software mit TM-33-Validierungsbericht

EQUA hat für IDA ICE einen CIBSE-TM-33-Validierungsbericht (Stand Dezember 2007) veröffentlicht. Auch TAS (EDSL) und DesignBuilder (via EnergyPlus) publizieren TM-33-Validierungsergebnisse. Für Part-L-Nachweise sind diese Programme jeweils über die NCM-Liste freigegebener Software gelistet.

Vergleichstabelle: Validierungsstandards nach Software

Stand: April 2026. ”–” bedeutet: nicht veröffentlicht oder nicht durchgeführt. EN 15255, EN 15265 und EN ISO 13791 sind als CEN-Normen zurückgezogen; die Testfallserien werden weiterhin als Validierungs-Benchmark verwendet.

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 (Section 5.2) und HVAC-Equipment-Tests (Sections 5.3–5.5); Berichte gegen ASHRAE 140-2004 und 140-2023 publiziert.
• EN 15265: Alle 12 Testfälle bestanden, überwiegend in den Genauigkeitsklassen A und B (Heizen: 9× A, 3× B; Kühlen: 6× A, 5× B, 1× C).
• EN 15255: Kühllastberechnung validiert.
• EN ISO 13791: Validierungsbericht für alle vier Testfälle veröffentlicht.
• IEA SHC Task 34 / Annex 43: Aktive Teilnahme am Forschungsprojekt mit Ergebnissen für Multi-Zonen-Modelle und empirische Validierung.
• CIBSE TM 33: Validierungsbericht (Dezember 2007) veröffentlicht.

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 vom BMWi/BMWK gefördertes Forschungsprojekt der TU Dresden (Institut für Bauklimatik) und der RWTH Aachen (Lehrstuhl Energieeffizientes Bauen), das eine eigenständige Testfallserie entwickelt hat. Die Testfälle orientieren sich an ASHRAE 140 BESTEST und EN ISO 13791 und ergänzen diese um zusätzliche Tests zu Einzelmodellen, Anlagenkopplung und Randbedingungen. Die Ergebnisse von NANDRAD liegen — neben denen von IDA ICE, TRNSYS, TAS, AixLib (Modelica), THERAKLES und ETU-Simulation — auf der SimQuality-Ergebnisplattform vor. Darüber hinaus ist NANDRAD gegen ASHRAE-140-Testfälle validiert.

Die Validierung gegen die historischen Testfallserien aus EN 15255, EN 15265 und EN ISO 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 ist DIN 4108-2 maßgeblich, mit EN ISO 13791 als Validierungsgrundlage für das eingesetzte Werkzeug. Für internationale Projekte ist ASHRAE 140 der Standard. Für den britischen Markt ist die Listung als freigegebenes DSM unter der NCM relevant; CIBSE TM 33 dient als ergänzender Validierungsnachweis. VICUS Buildings deckt mit SimQuality und ASHRAE 140 die Kernvalidierung ab und erweitert diese sukzessive um die historischen CEN-Testfallserien.

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
• EN ISO 52016-1:2017 — Energy performance of buildings — Energy needs for heating and cooling, internal temperatures and sensible and latent heat loads — Calculation procedures (Nachfolger von EN 15255 und EN 15265)
• EN ISO 13791 — Thermal performance of buildings — Calculation of internal temperatures of a room in summer without mechanical cooling — General criteria and validation procedures (zurückgezogen 2025)
• DIN 4108-2 — Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden — Mindestanforderungen an den Wärmeschutz
• VDI 6020 — Anforderungen an Rechenverfahren zur Gebäude- und Anlagensimulation
• CIBSE TM 33:2006 — Tests for Software Accreditation and Verification (archiviert)
• IEA SHC Task 34 / EBC Annex 43 — Abschlussberichte (2008–2009)
• SimQuality-Projekt — Abschlussbericht und Testfallergebnisse: simquality.org
• Judkoff, R.; Neymark, J. (1995): International Energy Agency Building Energy Simulation Test (BESTEST) and Diagnostic Method. NREL/TP-472-6231.