VDI 6007 und 6020

VDI 6020 –
„Anforderungen an Rechenverfahren zur Gebäude- und Anlagensimulation Gebäudesimulation“

Die VDI 6020 bildet ein Validierungsverfahren mit verschiedenen Testfällen für Gebäudeenergiesimulations (BES, kurz für Building Energy Simulation) Programme. Die Validierung erfolgt nach zwei unterschiedlichen Szenarien:

• In Szenario 1 wird nur die thermische Energiesimulation ohne technische Gebäudeausrüstung Ausrüstung validiert. Dieser Teil ist vollständig beschrieben in der VDI 6007 .
• In Szenario 2 werden die BES-Tools in Bezug auf die technische Gebäudeausrüstung validiert. Diese Testfälle sind hauptsächlich in der VDI 2078 beschrieben.

Insgesamt enthält die VDI damit 16 verschiedene Testfälle (8 für Szenario 1 sowie 8 für Szenario 2) mit verschiedenen untersuchten Geometrien und Raumtypen. Es gibt dabei jedoch mehrere Hindernisse/Probleme mit dem in der VDI beschriebenen Validierungsverfahren. Erstens gibt es drei unterschiedliche Dokumente (Hauptdokument, Erweiterungsblätter sowie Excel-Dokumente) mit redundanten und teilweise widersprüchlichen Eingabedaten. Bei der Durchführung eines Testfalles ist viel Aufwand durch den Bearbeiter notwendig, um die korrekten Eingabedaten für jeden Testfall zu ermitteln. In einigen Fällen sind die dokumentierten Eingabedaten schlichtweg falsch oder redundant und es obliegt dem Bearbeiter eine Annahme zu treffen, welche Angabe als korrekt anzusehen ist. Des Weiteren testet die Validierungssuite eigentlich eine sehr spezifische Modellbeschreibung und Lösungsprozedur getestet. Während dies normalerweise ein guter Ansatz ist, um verschiedene Implementierungen desselben Modells und Parametersatzes zu verifizieren, stellt dies auch die größten Schwachpunkt dieser Testnorm dar. Das zu prüfende Modell ist das spezifische VDI-Berechnungsmodell, das auf dem Beuken-Modell basiert. Dieses Modell vereinfacht jedoch die die tatsächliche Bauphysik sehr stark, wodurch in einigen Situationen recht große Näherungsfehler entstehen. Bei der Verwendung eines sehr detaillierten physikalischen Modells zur Berechnung die vorgeschriebenen VDI-Testfälle, werden diese Näherungs-Fehler deutlich. Da die VDI-Validierungsreferenzergebnisse recht nahe bei den mit dem VDI-Beuken-Modell errechneten Weren liegen, ist es daher nahezu unmöglich, eine Übereinstimmung mit einem detaillierteren Simulations-Modell zu erzielen.

Es wird zwar in der VDI auf eine statistische Mehtode (Mittelwert, Standardabweichung) verwiesen, anhand der andere Berechnungsverfahren validiert werden können, wodurch ein größeres Band der Ausnahmen verwendet wird. Jedoch ist die an die VDI angehängte CD mit den Excel-Dateien derart unstrukturiert, dass es ohne externe Expertise schwerlich erkennbar ist, welche Datei verwendet werden soll. Die dafür verwendeten Referenzergebnisse sind jedoch auch dem vereinfachten VDI-Modell berechnet, so dass physikalisch korrektere Simulationsergebnisse nicht immer als korrekt anerkannt werden. Folglich ist es streitbar, von einem modernen, physikalisch detaillierten Gebäudeenergie-Simulationsmodell zu verlangen, dass es der VDI-Validierungsnorm entspricht. Aus unserer Analyse der Prüfnorm VDI 6020 schließen wir, dass lediglich die VDI 6007 sowie 2078 diese VDI-Richtlinie tatsächlich nur zur Validierung von Umsetzungen der VDI-Richtlinie 6007 verwendet werden sollte.

VDI 6007 –
„Berechnung des instationären thermischenVerhaltens von Räumen und Gebäuden“

Raummodell

Die VDI 6007 beschreibt ein Rechenverfahren, welches auf einem Ersatzmodell basiert. Dieses Ersatzmodell basiert auf dem grundlegenden Ansatz, eine Wand wie ein elektrisches Bauteil zu betrachten. Dabei weist diese Wand für mindestens jede Schicht (Putz, Dämmung, Mauerwerk etc.) einen Widerstand sowie eine Kapazität auf. Letzteres stellt die Wärmespeicherkapazität dar. So hat z.B. ein Dämmstoff einen hohen Widerstand, da die Wärme nicht gut durchfließen kann, aber eine kleine Kapazität, da sie die Wärme nicht gut speichern kann. Dies ist der Abbildung 1 dargestellt. Eine noch genauere Abbildung wird erzielt, wenn die einzelnen Schichten noch zusätzlich unterteilt werden. Die Temperaturdifferenz zwischen dem Inneren des Raumes und der Außenluft ist äquivalent zur Spannung im elektrischen Stromkreis.

Um damit einen Raum berechnen zu können, müssen nun alle Bauteile des Raumes in ein Schaltbild eingefügt werden. Der entstehende Schaltkreis ist allerdings immer noch sehr kompliziert, daher wird er vereinfacht, indem die Kapazitäten aller Innenwände rechnerisch zu einer und die Kapazitäten aller Außenwände zu einer zweiten Kapazität zusammengefasst werden, wie in Abbildung 2 gezeigt. Die beiden Kapazitäten für die Wärmespeicherung der Innen bzw. Außenbauteile sind mit C_1;IW bzw. C_1;AW gekennzeichnet. Durch diese Zusammenfassung kann das Modell sehr schnell simuliert werden. Allerdings ist das Modell etwas ungenauer und die Ergebnisse etwas vom physikalisch richtigeren Modell mit vielen Kapazitäten ab.

VDI 2078 –
„Berechnung der thermischen Lasten und Raumtemperaturen (Auslegung Kühllast und Jahressimulation)

Die VDI 2078 zur Kühllastberechnung verwendet dieses Modell ebenfalls, da es sich schnell rechnen lässt und eine für viele Fälle ausreichende Genauigkeit aufweist. Für die VDI 2078 werden noch künstliche, genau vordefinierte Wetterdaten verwendet. Sowohl in der VDI 6007 als auch in der VDI 2078 werden mehrere Validierungsbeispiele angegeben. Hier wird allerdings explizit die richtige Implementierung des Berechnungsverfahrens nach VDI 6007 überprüft. Hierbei sind die Validierungsbeispiele besonders bei der VDI 2078 so detailliert auf das entsprechende Rechenverfahren abgestimmt, dass eine Berechnung mit einem anderen Modell nicht nach diesen Validierungsbeispielen validiert werden kann. Dadurch können verschiedene Simulationsverfahren so nicht miteinander verglichen werden.