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Bedarfsprofilberechnung: Validierung für verschiedene Gebäudetypen

Mit nPro können stündlich aufgelöste Bedarfsprofile für Raumwärme und Raumklimatisierung erstellt werden. Wie diese berechnet und validiert werden, erfahren Sie auf dieser Seite.

Wie werden Bedarfsprofile berechnet?

Für die Berechnung von Bedarfsprofilen in nPro wird ein speziell entwickeltes vereinfachtes Berechnungsverfahren eingesetzt. Dieses basiert im Kern auf der Gradtagsmethodik. Es erlaubt basierend auf wenigen Eingabeparametern ein stündlich aufgelöstes Bedarfsprofil zu erstellen. Das Besondere ist, dass als Eingabeparameter die Energiebezugsfläche und der Jahresbedarf des Gebäudes sowie ggfs. die Spitzenlast dienen. Während diese Parameter bei detaillierten Gebäudesimulationen das Ergebnis der Berechnung darstellen, sind diese Werte für nPro Eingangsgrößen. Dies ist sinnvoll, da in einer frühen Planungsphase eines Quartiers nur wenige Informationen zu den Gebäuden vorliegen. Oftmals sind Gebäudestandard und Nutzfläche bekannt, jedoch keine detaillierten bauphysikalischen Werte, wie Dämmstärke oder Grad der Verglasung. Aus dem Gebäudestandard kann der jährliche Energiebedarf abgeschätzt und mit Hilfe von Vollbenutzungsstunden auch die Spitzenlast abgeleitet werden. Die Simulation in nPro dient damit der Profilerzeugung und nicht der Berechnung des jährlichen Bedarfs. Vorteil dieses Ansatzes ist, dass die mit nPro erzeugten Profile immer den vom Benutzer definierten Jahreswerten und Spitzenlasten genügen und nur sehr wenige Eingangsparamter benötigt werden. Die Jahresprofile bilden dann einen typischen Bedarfsverlauf ab, welcher für ein Gebäude zu erwarten ist. Für sehr spezielle Gebäudetypen, wie beispielsweise ein vollverglastes Bürogebäude, können die von nPro erzeugten Profile von den in der Realität zu erwartenden Profilen abweichen.

Im nPro-Tool können Jahresprofile mit stündlicher Auflösung für Raumwärme- und kälte sowie Trinkwarmwasser und Strom erstellt werden.

Wie wurde das Simulationsverfahren validiert?

Mit nPro erzeugte Bedarfsprofile wurden für eine Vielzahl unterschiedlicher Gebäude mit unterschiedlichen Nutzungstypen validiert. Hierzu wurden frei verfügbare Daten von Energiemonitoring-Portalen der Stadt Aachen [1] und der Stadt Frankfurt [2] verwendet. Die Monitoring-Portale der beiden Städte erlauben es, Wärmebedarfsprofile in stündlicher Auflösung für mehr als hundert Gebäude in Aachen und Frankfurt einzusehen. Ein Auszug der Validierung ist in den nachfolgenden Abschnitten dargestellt.

Wärmebedarf von Büro- und Verwaltungsgebäuden

Bürogebäude weisen aufgrund von hohen internen Wärmegewinnen eine vergleichsweise geringe Heizlast auf. Ihr Profil ist vor allem durch starke Unterschiede zwischen Werktagen und Wochenendtagen geprägt. Beispielhaft sind im folgenden für 2 Bürogebäude Verläufe des Wärmeprofils dargestellt. Abbildung 1 zeigt das Wärmeprofil für ein städtisches Verwaltungsgebäude (Peterstraße 21–25, 52062 Aachen) für einen Zeitraum vom 20.1. bis 3.2.2018. In grau sind die simulierten Wärmebedarfsprofile dargestellt. Gut erkennbar ist das Wochenende am 27. und 28. Januar, an dem nur geringe Wärmebedarfe auftreten. Die täglichen Spitzenlasten werden durch die Simulation überwiegend gut abgebildet. Bemerkenswert ist, dass am ersten Tag (20.1.) die Simulation nur geringe Wärmebedarfe zeigt (weil es sich um einen Wochenendtag handelt), wohingegen der real gemessene Verlauf einem normalen Werktag ähnelt. Dies könnte beispielsweise daran liegen, dass an dem Samstag ein Sonderereignis vorlag oder aufgrund eines anderen Ereignisses die Heizungssteuerung anders als an einem gewöhnlichen Wochenendtag programmiert war.

Büro Heizlast-Profil
Abbildung 1: Gemessenes und simuliertes Wärmebedarfsprofil für ein städtisches Verwaltungsgebäude (Peterstraße 21–25, 52062 Aachen) für einen 2-wöchigen Zeitraum im Winter.

In Abbildung 2 ist das Wärmebedarfsprofil für ein weiteres öffentliches Verwaltungsgebäude (Markt 38-40, 52062 Aachen) dargestellt. Die gemessenen und simulierten Daten sind hierbei für den Zeitraum 23.2. bis 25.3.2018 aufgetragen. Erneut sind die Wochenenden gut am reduzierten Wärmebedarf zu erkennen. In der Woche vom 25.2. sind die Wärmebedarfe am größten, was von der Simulation gut abgebildet wird. Die Heizungsanlage läuft in dieser Woche durchgehend, auch in den Nachtstunden und auch am Wochenende gleichwohl mit geringerer Leistung.

Büro Wärmebedarfsprofil
Abbildung 2: Gemessenes und simuliertes Wärmebedarfsprofil für ein städtisches Verwaltungsgebäude (Markt 38-40, 52062 Aachen) für einen Monat im Winter.

Wärmebedarf eines Schwimmbads

Auch für spezifische Gebäudetypen können gute Jahresbedarfsverläufe erzielt werden. In Abbildung 3 ist der Wärmebedarf des Schwimmbads am St.-Josefs-Platz in Aachen für den Zeitraum vom 25.1. bis 8.3.2018 dargestellt. Der qualitative Verlauf über wärmere und kältere Perioden wird hierbei sehr gut abgebildet. Dies zeigt, dass der Wärmebedarf für ein Schwimmbad stark mit der Außentemperatur korreliert: In kälteren Perioden (um den 8.2. und 1.3.) steigt der Wärmebedarf an und tritt auch nachts auf, wenn das Schwimmbad geschlossen ist. An wärmeren Tagen (zum Beispiel bis zum 1.2.) herrscht über Nacht kein Wärmebedarf.

Schwimmbad Wärmebedarfsprofil
Abbildung 3: Gemessenes und simuliertes Wärmebedarfsprofil für ein öffentliches Schwimmbad (St.-Josefs-Platz 8, 52068 Aachen) im Winter.

Wärmebedarf von Schulen und Kindertagesstätten (KiTa)

Als letztes Beispiel sind in den Abbildungen 4-6 die Wärmebedarfsprofile von zwei Schulen und einer Kindertagesstätte dargestellt. Abbildung 4 zeigt das Profil einer Grundschule in Aachen-Brand für den Zeitraum vom 30.1. bis 4.3.2018. Ähnlich wie bei Bürogebäuden ist ein ausgeprägtes Muster von Wochentagen und Wochenendtagen zu erkennen. Außerdem ist deutlich der typische Tagesverlauf des Wärmebedarfs zu erkennen: Morgens tritt eine Bedarfsspitze auf, welche aus dem Aufheizen von Klassenräumen resultiert, die über Nacht ausgekühlt sind. Ab mittags sinkt der Wärmebedarf kontinuierlich ab, was auf die sinkende Belegung der Klassenräume zurückzuführen ist. Nach Schulschluss geht die Heizung in Nachtabsenkung, wodurch sich der Wärmebedarf kurzzeitig stark reduziert und dann über Nacht wieder langsam ansteigt.

Schule Heizlastprofil
Abbildung 4: Gemessenes und simuliertes Wärmebedarfsprofil für eine Grundschule (KGS Marktschule Brand, 52078 Aachen) im Winter.
Im nPro-Tool sind Daten zu Schulferien für jedes Land hinterlegt, um beispielsweise Sommerferien in Schulen abzubilden.

Abbildung 5 zeigt das Wärmebedarfsprofil einer Hauptschule (Aretzstraße 10, 52070 Aachen) für den Zeitraum 14.3.-6.4.2018. Hier dargestellt ist der Übergang von einer kalten Periode in eine Phase milder Witterung. Die Woche vom 17.3. ist noch recht kalt und ein beträchtlicher Wärmebedarf tritt auf. Die darauffolgende Woche ist deutlich milder, was dazu führt, dass die Heizleistung nahezu auf null absinkt. Auch diese Effekte können von dem vereinfachten Simulationsverfahren gut abgebildet werden.

Schule Wärmebedarfsprofil
Abbildung 5: Gemessenes und simuliertes Wärmebedarfsprofil für eine Hauptschule (Aretzstraße 10, 52070 Aachen) in der Übergangszeit.

In Abbildung 6 ist das Wärmelastprofil einer KiTa in Aachen für ein ganzes Jahr abgebildet. Es ist gut zu erkennen, dass die Heizphasen im Winter sowie die dort auftretende maximale Heizlast durch die Simulation gut abgebildet werden. Im Sommer tritt bei der Messung ein geringer Wärmebedarf auf, was auf die Trinkwarmwasser-Bereitung zurückzuführen sein könnte. Die hier dargestellte Simulation ermittelt allerdings lediglich den Raumwärmebedarf, weshalb dieser im Sommer auf null absinkt.

Kindergarten/KiTa Wärmebedarfsprofil
Abbildung 6: Gemessenes und simuliertes Wärmebedarfsprofil für eine Kindertagesstätte (Lindenstraße 27, 52080 Aachen) für das Jahr 2018.

Quellen

  1. e2watch-Portal der Stadt Aachen
  2. Energiemonitoring der Stadt Frankfurt

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