Glossar Bereich KLIMA

Thermische Gebäudesimulation

Die Simulation von thermischem Raumverhalten wird mit dem Berechnungsverfahren der Simulation der stündlich dynamischen Wärmebilanz durchgeführt. Das Berechnungsverfahren der dynamischen thermischen Gebäudesimulation rechnet physikalisch korrekt. 

Vom Gebäude wird ein 3-dimensionales Simulationsmodell erstellt. Auf Basis von stündlichen Klimadaten, einer vorgegebenen Nutzung und technischer Versorgungssysteme wird die stündliche Wärmebilanz mit der resultierenden Raumtemperatur berechnet und daraus die Überhitzungshäufigkeit analysiert. Stündlich dynamische Simulation bedeutet, dass die Ergebnisse der vorhergehenden Stunde die Anfangsbedingungen der nächsten Stunde sind. Damit kann die Wirkung aus der Vergangenheit berücksichtigt und die speichernde Wirkung der Bauteile abgebildet werden.

Thermische Zonierung

Die thermische Zonierung fasst Raumbereiche zusammen, die sich thermisch ähnlich verhalten (Nutzung + solare Ausrichtung + bauliche Verschattung + Hüllflächenanteil + Nachbar).

Operative Raumtemperatur

Die operative Raumtemperatur ist die vom Menschen wahrgenommene Raumtemperatur. Die operative Raumtemperatur ist ein Mittelwert zwischen der Lufttemperatur und der Strahlungstemperatur der umgebenden Oberflächen.

Thermische Behaglichkeit

Die thermische Behaglichkeit beschreibt die Zufriedenheit mit dem Umgebungsklima. Die folgenden beispielhaften Kennwerte sind der DIN EN ISO 7730 entnommen.

Sitzend unter Winterbedingung (Heizperiode)
Die operative Raumtemperatur sollte zwischen 20°C und 24°C sein. Die vertikale Differenz der Lufttemperatur zwischen 1,1m und 0,1m über den Fußboden sollte weniger als 3 K betragen. Die Oberflächentemperatur des Fußbodens sollte zwischen 19°C und 29°c sein. Die mittlere Luftgeschwindigkeit sollte bei 20°C Lufttemperatur nicht größer als 0,2m/s und bei 26°C Lufttemperatur nicht mehr als 0,4 m/s betragen. Der Temperaturunterschied der Strahlungstemperatur der umgebenden Oberflächen mit der Lufttemperatur soll gegenüber kälteren Flächen weniger als 10 K und gegenüber wärmeren Flächen weniger als 5 K betragen. Die relative Feuchte soll zwischen 30% und 70% betragen.

Sitzend unter Sommerbedingung (Kühlperiode)
Die operative Raumtemperatur sollte zwischen 23°C und 26°C sein. Die vertikale Differenz der Lufttemperatur zwischen 1,1 m und 0,1 m über den Fußboden sollte weniger als 3 K betragen. Die Oberflächentemperatur des Fußbodens sollte zwischen 19°C und 29°C sein. Die mittlere Luftgeschwindigkeit sollte bei 20°C Lufttemperatur nicht größer als 0,2 m/s und bei 26°C Lufttemperatur nicht mehr als 0,4 m/s betragen. Die relative Feuchte soll zwischen 30% und 70% betragen.

Wärmebilanz

Gegenüberstellung der Wärmequellen (solare Einträge, Heizung, Personen, Geräte und Beleuchtung) zu den Wärmesenken (Transmission, Lüftung, Infiltration)

Spezifische Wärmespeicherfähigkeit (Wärmekapazität)

beschreibt das Speichervermögen von thermischer Energie eines Materials

Wärmeleitung (Konduktion)

beschreibt den die Übertragung von thermischer Energie innerhalb eines Materials zwischen zwei unterschiedlichen Temperaturniveaus.

Wärmeleitfähigkeit

beschreibt die Eigenschaft eines Materials, thermische Energie in Form von Wärmeleitung (Konduktion) zu transportieren.

Wärmestrom

beschreibt das Übertragungsvermögen eines Materials, welche Wärmemenge pro Zeiteinheit übertragen werden kann.

Wärmestrahlung

beschreibt die Übertragung von thermischer Energie durch elektromagnetische Strahlung die jedes Material abhängig von der Eigentemperatur und der Emissivität der Oberfläche aussendet.

Stoffgebundener Wärmetransport (Konvektion)

Bei der Konvektion nehmen z.B. Luftteilchen die an einem Heizkörper (Konvektor) vorbeistreichen oder das Heizungswasser im Heizkessel die Wärme auf und transportieren die Wärme in die Raumluft oder bei dem Heizungswasser zum Heizkörper weiter.

Wärmedurchlasswiderstand

ist der Widerstand gegen den Wärmestrom zwischen seinen Oberflächen bei einer Temperaturdifferenz von 1 Kelvin auf einer Fläche von 1 m².

U-Wert, Wärmedurchgangskoeffizient

ist der Kehrwert des Wärmedurchlasswiderstandes. Der U-Wert wird in der Bauphysik als Maß für den Wärmestromdurchgang von ein- oder mehrschichtigen Materialien verwendet.

Wärmeübergangskoeffizient

beschreibt den Wärmeübergang zwischen zwei unterschiedlichen Materialien z.B. Außenwand zur Außenluft oder Bodenplatte zum Erdreich.

Anlagensimulation

Die Simulation der Anlagentechnik ist ein Berechnungsverfahren, das physikalisch korrekt rechnet. 

Die stündlichen Daten aus der Gebäudesimulation werden vom Anlagenmodell eingelesen. Das Betriebsverhalten der Anlagenkonstellation wird simuliert. Anhand der Ergebnisse können Über- und Unterdimensionierungen erkannt werden. Durch die Analyse der Ergebnisse kann die Effizienz der unterschiedlichen Komponenten und des Gesamtsystems erkannt und bewertet werden. Für eine Optimierung können dann die jeweiligen Systemkomponenten angepasst werden. Diese Optimierung führt zu einem besseren Betriebsverhalten der Anlage. Das Simulationsverfahren rechnet stündlich dynamisch: Die Ergebnisse der vorhergehenden Stunde sind die Anfangsbedingungen der nächsten Stunde. Damit können die energetischen Veränderungen der Anlagenkomponenten im Betrieb abgebildet werden.

Glossar Bereich LICHT

Tageslichtsimulation

Die Simulation von Tageslicht und Kunstlicht wird mit dem Berechnungsverfahren der Lichtsimulation per Strahlverfolgung durchgeführt. Das Berechnungsverfahren der Lichtsimulation rechnet physikalisch korrekt. 

Ein validiertes Lichtsimulationsprogramm ist beispielsweise Radiance. Radiance dient zur Vorhersage der Verteilung sichtbarer Strahlung in beleuchteten Räumen. Als Eingabe wird ein dreidimensionales Geometrie-Modell verwendet. Als Ausgabe wird eine Karte mit spektralen Strahlungswerten in einem farbigen Bild erzeugt. Dabei wird die Ray-Tracing-Methode (Strahlverfolgung) verwendet, womit diffuse und spektral reflektierende Oberflächen simuliert werden können. Radiance generiert realitätsnahe Bilder: Aus 3D-Beschreibung und gewählter Blickrichtung wird ein zweidimensionales Leuchtdichten-Bild (z.B. auch als Iso-Linien- und Falschfarben-Darstellung) erzeugt. Auch Beleuchtungsstärke und Tageslichtquotienten auf einer Fläche können berechnet und als Bild dargestellt werden. Außerdem kann für jeden beliebigen Punkt die Beleuchtungsstärke bestimmt werden.

Tageslichtquotient

Der Tageslichtquotient (Formelzeichen: D, Einheit: %) ist ein Maß für die Tageslichtversorgung von Räumen in Gebäuden. Er gibt das Verhältnis der Beleuchtungsstärke E (gemessen in Lux) im Raum zur Beleuchtungsstärke draußen bei bedecktem Himmel an:
D = E_innen / E_außen * 100
Der Tageslichtquotient ist unabhängig von Datum und Uhrzeit immer konstant. Er wird von verschiedenen Regelwerken als Bewertungskriterium für die Tageslichtversorgung von Räumen herangezogen. Im Folgenden werden Bewertungskriterien für ausreichendes Tageslicht in Innenräumen (bezogen auf eine horizontale Ebene in 85 cm Raumhöhe) angegeben:

DIN 5034, Tageslicht in Innenräumen
Für Aufenthaltsräume mit Seitenlicht gilt: Tageslichtquotient an Referenzpunkten P1 und P2 (in halber Raumtiefe jeweils 1 m Abstand von der Seitenwand) mindestens 0,75%, Mittelwert Tageslichtquotient mind. 0,90%
Für Arbeitsräume mit Oberlichtern gilt: Mittelwert Tageslichtquotient > 4%, minimaler Tageslichtquotient > 2%, Mittelwert Tageslichtquotient > 10% wegen Überhitzungsgefahr vermeiden

ASR A 3.4 (Arbeitsstättenrichtlinie)
Tageslichtquotient am Arbeitsplatz 2%, bei Dachoberlichtern 4 %

BGI/GUV-I 7007, Tageslicht am Arbeitsplatz
Tageslichtquotient in Raummitte 2% („empfohlen“), für Büros 3% („sinnvoll“)

Beleuchtungsstärke

Die Beleuchtungsstärke (Formelzeichen E, SI-Einheit: Lux bzw. lux, Einheitenzeichen: lx) ist die fotometrische Entsprechung zur Bestrahlungsstärke E (Einheit: Watt/Quadratmeter bzw. W/m²) in der Radiometrie. E ist der Quotient aus dem einfallenden Lichtstrom Φv pro Element der Empfängerfläche Ae, also die Strahlungsleistung je Fläche. Die Beleuchtungsstärke ist damit eine reine Empfängergröße. Die Beleuchtungsstärke, die eine punktförmige Lichtquelle auf einer Fläche hervorruft, nimmt (als Folge der Energieerhaltung) mit dem Quadrat der Entfernung ab. Die Beleuchtungsstärke ist somit ausgedrückt als Lichtstärke in cd im Verhältnis zur Entfernung in m. Anmerkung: Die Beleuchtungsstärke dient nicht als Maß für wahrgenommene Helligkeit. Dieselbe Beleuchtungsstärke führt auf hellen Oberflächen zu einer hellen Wahrnehmung und auf dunklen Flächen für eine dunkle Wahrnehmung.

Bewertungskriterien
Anforderungen an die ausreichende Beleuchtungsstärke in Innenräumen:
Feinstarbeit 1000-2000 lx
Büroarbeitsplatz 300-500 lx
Verkehrsflächen 50-100 lx
Unterrichtsräume, Verkehrsräume, Werkstatt 300 lx
Wohnraum Schlafen 80 lx
Wohnraum Wohnen 100 lx
Wohnraum Küche, 300 lx

Leuchtdichte

Das physikalische Maß für Helligkeit. Lichtstärke pro Einheit projizierter Fläche, gemessen aus einer bestimmten Richtung. Die Leuchtdichte (Formelzeichen: L, Einheit: Candela pro Quadratmeter (cd/m²)) ist die Menge an sichtbarem Licht, welche einen Punkt auf einer Oberfläche in eine bestimmte Richtung verlässt. Diese Oberfläche kann die physische Oberfläche eines Objektes sein oder eine abstrakte Ebene. Das davon ausgehende Licht kann aus Reflexion, Transmission, und/oder Emission stammen. Anmerkung: Leuchtdichte [cd/m²] = Beleuchtungsstärke [lx] / Reflexionsgrad [-] / 3,14 für diffuse Flächen

Beispiele für typische Leuchtdichten
Kerze 0,8 cd/m²
Leuchtstofflampe 15.000 cd/m²
Sonne 1.500.000.000 cd/m²
Weiße Wolken 10.000 cd/m²
Blauer Himmel 5.000 cd/m²
Weißes Papier (bei 500 lx) 150 cd/m²
Röhren-Bildschirm 120 cd/m²
TFT-Bildschirm 300 cd/m²

Bewertung entsprechend menschlicher Augen-Wahrnehmung
Die Wahrnehmung von Leuchtdichte erfolgt logarithmisch. Beispielsweise erzeugt ein Strahler auf einer Oberfläche einen kreisförmigen Lichtfleck, der als gleichmäßig hell wahrgenommen wird. Im Randbereich dieses Lichtflecks ist aber nur etwa 1/10 der Leuchtdichte, die in der Mitte herrscht, vorhanden. Die Leuchtdichte-Bilder als Ergebnisse der Lichtsimulation werden häufig entsprechend der menschlichen Augenwahrnehmung gefiltert. Anmerkung: Jedes Bild kann hell aussehen, wenn es lange genug belichtet wird. Daher ist eine Bewertung der simulierten Raumhelligkeit ohne diese logarithmische Filterung nicht sinnvoll.

Bewertung anhand Falschfarben-Filterung
Die absoluten Leuchtdichte-Werte der einzelnen Oberflächen lassen sich in den Lichtsimulationsbildern ablesen, wenn alle Flächen mit der gleichen Leuchtdichte entsprechend der Legende mit der gleichen Farbe angelegt sind. Dabei haben wir die Skalierung so gewählt, dass eine grüne Färbung ausreichende Leuchtdichten (Helligkeit) im Innenraum darstellt, eine blaue Färbung Dunkelheit angibt und eine tiefrote Färbung Blendung anzeigt.
Bewertungsskala für Helligkeit in Innenräumen mittels Leuchtdichte-Bildern in Falschfarbenfilterung:
> 4000 cd/m² Blendungsgefahr
< 1000 cd/m² sehr hell z.B. besonnter Lamellenbehang vom Arbeitsplatz
60-400 cd/m² typische Helligkeiten von Arbeitsfläche, Boden, Wand, Decke
10 cd/m² zu dunkel

Tageslichtnutzung

Die Tageslichtnutzung ist der Anteil der Nutzungszeit, über die der Raum ausreichend mit Tageslicht versorgt werden kann.
Die Tageslichtnutzung wird auf Basis stündlicher Diffusstrahlungsdaten anhand des zeitlichen Nutzungsprofils für den betreffenden Raum berechnet. Sie entspricht dem Stromeinsparpotenzial für die Beleuchtung mit Kunstlicht. Dieses wird für die beiden Regelungsstrategien „Dimmung“ und „ein/aus“ berechnet. Geht beispielsweise das Nutzungsprofil für einen Raum über 24 Stunden, so kann die Tageslichtnutzung nicht absolut über 50% liegen, da die Hälfte der Zeit – in der Nacht – kein Tageslicht zur Nutzung zur Verfügung steht. Um diesem Umstand Rechnung zu tragen und nicht der Raumarchitektur Aspekte des Nutzungsprofils anzulasten, hat alware ein Benotungssystem eingeführt, in dem die vom Tagesprofil abhängige maximal mögliche Tageslichtnutzung berücksichtigt wird.

Schaltwert

Der Schaltwert ist der Tageslichtquotient, ab dem das Kunstlicht in einem Raum eingeschaltet wird.

Lichttransmissionsgrad

Der Transmissionsgrad ist der Anteil des einfallenden Lichtstromes, welcher ein transparentes Bauteil komplett durchdringt. Normalerweise wird er für senkrechten Lichteinfall angegeben. Einheit des Transmissionsgrads ist das Prozent (%) oder ein Faktor zwischen 0 und 1.

Beispiele
normales Isolierglas ca. 85%
Wärmeschutzverglasung ca. 75%
Sonnenschutzverglasung ca. 60%

Für die Lichtsimulation wird auf den Reflexionsgrad der Verglasung noch ein Verschmutzungsfaktor aufgeschlagen, typischerweise 0,9 für vertikale und 0,8 und kleiner für geneigte Verglasungen.

Reflexionsgrad

Der Reflexionsgrad ist der Anteil des auf eine Oberfläche auftreffenden Lichtes, welcher von dieser wieder in die Umgebung zurückreflektiert wird. Einheit des Reflexionsgrads ist das Prozent (%) oder ein Faktor zwischen 0 und 1.

Beispiele
weiß 75% - 85%
hellgelb 60% - 70%
hellgrau 60% - 40%
hellgrün 45% - 55%
mittelgrau 25% - 35%
mittelbraun 20% - 30%
dunkelgrau, andere dunkle Farben 10% - 20%
Silberspiegel hinter Glas 80% - 88%
Aluminium hochglänzend 80% - 87%
Aluminium matt 55% - 75%
Papier weiß 70% - 80%
Marmor poliert 30% - 35%
Holz hell 20% - 35%
Holz dunkel 10% - 15%
Teppich hell 30% - 35%
Teppich dunkel 10% - 20%
Ziegel roh 10% - 15%

Für Innenräume werden von DIN 5034 folgende Mindestwerte für die Reflexionsgrade der Innenoberflächen angesetzt (bzw. empfohlen):
Wand 50%, dies ist ein Mittelwert aus weißer Wand (85%) und dunkleren Regalbereichen o.ä.
Decke 75%, (85%)
Boden 20%, (40%)

Glossar Bereich LUFT

Strömungssimulation

Die Simulation von Raumluftströmung - auch als CFD-Simulation bezeichnet - rechnet physikalisch korrekt. 

Vom Gebäude wird ein dreidimensionales Simulationsmodell erstellt, das den Luftraum des zu untersuchenden Raumes als Volumen mit den spezifischen thermischen und strömungstechnischen Eigenschaften abbildet. Die Strömungssimulation zur Untersuchung der Innenraumströmung wird mit einem CFD-Programm (Computational Fluid Dynamics) durchgeführt. Die Berechnung beruht auf dem numerischen Grundprinzip der Finiten-Volumen-Methode. Damit können Ergebniswerte für Raumluftströmung ortsaufgelöst berechnet werden.