Die thermische Gebäudesimulation hilft, gebäudetechnische Entscheidungen nicht auf kurzfristiger Wirtschaftlichkeit, sondern auf belastbaren Daten zu treffen. Dieser Beitrag erklärt das Werkzeug und zeigt an einem Praxisbeispiel, wie sich damit Behaglichkeit und Energieeffizienz in der Planung optimieren lassen.
Was ist eine Gebäudesimulation?
Die Gebäudesimulation erstellt ein digitales Abbild eines Gebäudes, Geschosses oder Raumes samt umgebender Umwelt in einem digitalen Rechenmodell. Das System verarbeitet Wetterdaten, Materialeigenschaften und thermische Lasten minutengenau über das gesamte Jahr.
Die geometrische Grundlage stammt typischerweise aus Aufmaßen, CAD-Daten oder BIM-Modellen. Lassen sich BIM-Modelle direkt importieren, reduziert das den Modellierungsaufwand deutlich. Zusätzliche Parameter wie bauphysikalische Daten und Anlagensteuerungen werden ergänzt. Äußere Einflüsse, Solarstrahlung, Lufttemperatur, Luftfeuchte, wirken direkt auf das Modell, und die Ergebnisse stehen nach kurzer Rechenzeit zur Verfügung.
Warum Gebäudesimulation in der Planung?
Planungsentscheidungen beruhen oft auf kurzfristiger Wirtschaftlichkeit statt auf einer datengestützten Analyse. Dabei gilt: Ein Modell in der Gebäudesimulation ist nur so gut wie seine Eingangsdaten. Die Simulation ermöglicht fundierte Entscheidungen zu Verglasung, Sonnenschutz, Anlagendimensionierung und Temperierungsstrategie.
Schon frühe Entwurfsphasen profitieren von vereinfachten Modellen, die das dynamische Verhalten unter realen Standortbedingungen sichtbar machen. Auch künftige Klimaszenarien für 2035 oder 2050 lassen sich systematisch bewerten.
Welche Fragen lassen sich beantworten?
Mit der Gebäudesimulation lassen sich unter anderem folgende Fragen klären:
- Optimale U-Werte für Behaglichkeit und Effizienz
- Dimensionierung und Regelstrategie von Heiz- und Kühlsystemen
- Einhaltung des sommerlichen Wärmeschutzes (DIN 4108-2)
- Tageslichtversorgung
- Fenstergrößen und Auswirkungen der Verglasung
- Wirkung außenliegender Verschattung
- CO₂-Werte bei natürlicher Lüftung
- Schaltverhalten von Kühldeckenpaneelen
- Erforderliche Heiz- und Kühltemperaturen
- Erforderliche Dimensionierung der Lüftungsanlage
Grenzen der Simulation
Eine Simulation berechnet jeweils ein Szenario, nicht mehrere Ergebnisse gleichzeitig. Über Parameterstudien lassen sich jedoch hunderte oder tausende Fälle untersuchen, indem Eingangsgrößen systematisch variiert werden (z. B. die Luftdichtheit von 0,5 bis 4 Luftwechseln bei 50 Pa in 0,1er-Schritten).
Übermäßig komplexe Geometrien, die keine besseren Ergebnisse liefern, kosten unnötig Rechenleistung. Es braucht Erfahrung, um den passenden Detaillierungsgrad festzulegen.
Praxisbeispiel: Simulation eines Büroraums
Eingangsdaten
Untersucht wird ein 25 m² großes Büro in Düsseldorf mit:
- 3 PC-Arbeitsplätzen
- natürlicher Fensterlüftung
- außenliegendem Sonnenschutz
- Nutzungszeit 8 bis 17 Uhr
Erforderlich sind unter anderem Standort und Orientierung des Gebäudes, ein CAD-/BIM-Modell mit Konstruktionsaufbauten, Klimadaten des Standorts, Wärmelasten und Belegung sowie Steuerungsparameter (Vorlauftemperaturen, Sollwerte, CO₂-Grenzwerte, Luftwechselraten).
Berechnung
Die Simulationen werden für die maximale Kühllast (Auslegungsklima nach VDI 2078) sowie für die jährliche Energieperformance mit realen Klimadaten durchgeführt.
Ergebnisse
Die Auswertung zeigt:
- durchgehenden Kühlbedarf von Mai bis September
- Übergangszeiten im März/April und September/Oktober
- Heizbedarf in den übrigen Monaten
- eine durch die maximale Wärmeabgabe bzw. Kühlleistung begrenzte Performance
Die Temperaturanalyse zeigt, dass die mittlere Lufttemperatur durch ein System mit überwiegend strahlungsbasierter Wärmeübertragung um rund 2 °C niedriger liegt, das spart bei gleichbleibender Behaglichkeit erhebliche Energie. Die CO₂-Auswertung verdeutlicht zudem, dass die Nutzer bei Erreichen von 1000 ppm zweimal täglich lüften.
Parameterstudien
Parameterstudien untersuchen mehrere Variablen zugleich. Beispiel: Infiltrationsluftwechsel von 0 bis 1 in 0,1er-Schritten (11 Simulationen) kombiniert mit Dämmstärken von 0, 2 oder 5 cm ergibt 33 Simulationen. Paralleldiagramme (Parallel Coordinates) visualisieren die Zusammenhänge und machen optimale Lösungen schnell erkennbar.
Unterstützung durch interpanel
interpanel unterstützt Sie bei Planung, Analyse, Bewertung und Simulation von Heiz- und Kühllasten für eine optimale Dimensionierung. Weitere Informationen erhalten Sie in unseren Fachwebinaren oder über den Kontakt. Die im Beispiel verwendete Simulationssoftware ist IDA ICE von equa.
Quelle: interpanel.com