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PROF. DR.-ING. HABIL. LOTHAR ROUVEL FACHGEBIET ENERGIETECHNIK UND -VERSORGUNG SÄULINGSTRASSE 4 80686 MÜNCHEN TEL..: 089/576804 FAX: 5706641 . . . Thermische Gebäudesimulation GEBSIMU Test- und Validierungsbeispiele der VDI 6020 Anforderungen an thermisch energetische Rechenverfahren zur Gebäude- und Anlagensimulation GEBSIMU n-Kapazitäten-Modell (n-K-Modell) nach Rouvel (Referenzverfahren für die Validierung nach VDI 6020) GEBSIMU 2-Kapazitäten-Modell (2-K-Modell) gemäß VDI 6007-1 (nach Rouvel und Zimmermnn) GEBSIMU © 1978-2016 by ROUVEL München, Juli 2016

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PROF. DR.-ING. HABIL. LOTHAR ROUVEL

FACHGEBIET ENERGIETECHNIK UND -VERSORGUNG SÄULINGSTRASSE 4 80686 MÜNCHEN TEL..: 089/576804 FAX: 5706641. . .

Thermische Gebäudesimulation

GEBSIMU

Test- und Validierungsbeispiele

der VDI 6020

Anforderungen an thermisch energetische Rechenverfahren zur

Gebäude- und Anlagensimulation

• GEBSIMU n-Kapazitäten-Modell (n-K-Modell) nach Rouvel (Referenzverfahren für die Validierung nach VDI 6020)

• GEBSIMU 2-Kapazitäten-Modell (2-K-Modell) gemäß VDI 6007-1(nach Rouvel und Zimmermnn)

GEBSIMU © 1978-2016 by ROUVEL München, Juli 2016

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I

Inhaltsverzeichnis

1. Vorbemerkung ............................................................................................. 1

2. Kurzbeschreibung der Testbeispiele............................................................ 3

3. Validierung.................................................................... .......................... 10

4. Literaturverzeichnis ............................................................................ 17

5. Anhang: Vergleich der Berechnungsergebnisse........................................ 19

VDI 6020 Inhaltsverzeichnis

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1 Vorbemerkung

Da die analytischen Methoden für sehr viele Probleme der instationären Wärmeleitvorgän-ge entweder unzulässige Vereinfachungen oder einen hohen Rechen- bzw. Programmier-aufwand erfordern, entwickelte Beuken [1] 1936 ein elektrisches Analogiemodell, mitdem praktisch alle Probleme der Wärmeleitung in festen Stoffen gelöst werden können.Die Grundlage des „Beuken-Modells“ beruht auf der Übereinstimmung der partiellen Diffe-rentialgleichung der Wärmeleitung und der Vorgänge in einem idealisierten elektrischenKabel.Die zeitliche und örtliche Temperaturverteilung in einer homogenen oder einer aus homo-genen Schichten aufgebauten ebenen Wand wird bei eindimensionalem Wärmeflussdurch die Wärmeleitgleichung beschrieben:

Die partielle Differentialgleichung tritt in ähnlicher Form bei der Beschreibung der Vorgän-ge auf elektrischen Übertragungsleitungen auf:

Unter Vernachlässigung von L’ und G’ ergibt sich die Potentialgleichung für das idealisier-te Kabel, die ein Analogon zur Wärmegleichung ist:

Diese Übereinstimmung wurde von Beuken benutzt, um ein elektrisches Analogiemodellfür Wärmeleitvorgänge zu entwickeln.Zur praktischen Anwendbarkeit der Analogie zwischen der Gleichung für das idealisierteKabel und der Wärmeleitgleichung wurde von Beuken eine Ersatzschaltung aus diskreten

RC-Gliedern aufgebaut. Die Spannung u ist dabei analog der Temperatur und der

elektrische Strom i ist analog dem Wärmestrom q.Das Kabel - oder analog die Wand - wird in dünne Scheiben unterteilt. Der Widerstands-und Kapazitätsbelag (Speicherfähigkeitsbelag) jeder Scheibe wird dabei entweder in derMitte (T-Schaltung) oder an den Rändern (Pi-Schaltung) der jeweiligen Scheibe konzen-triert und mit diskreten Bauelementen nachgebildet.

Brockmeier [2] entwickelte diese Methode weiter und konnte den Aufbau einer kabelnach-bildenden RC-Kette aufgrund einer Fehlerbetrachtung in ihrer Genauigkeit beschreiben.Euser [3] und Bovy [4] zeigten, dass mit Hilfe eines Beuken-Modells die Temperaturschwan-kungen und die erforderliche Kühlleistung für einen Raum nachgebildet werden können .

Nach Köhne und Woelk [5] besteht die prinzipielle Möglichkeit, aus dem Beuken-Modellanalytische Rechenvorschriften abzuleiten, um das wärmetechnische Verhalten von Wändenund Räumen bei dynamischer Wärmebelastung zu beschreiben.

VDI 6020 1 - Vorbemerkung

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Das Beuken-Modell kann vom Grundsatz her das instationäre thermische Gebäudeverhaltenin beliebiger Genauigkeit nachbilden. Dem sind jedoch in der praktischen Umsetzung alselektrisches Analogiemodell auf Grund der Toleranzen der elektrischen Bauteile, der Über-gangswiderstände zwischen den elektrischen Bauteilen usw. Grenzen gesetzt.Bei einer rechnerischen Umsetzung des Beuken-Modells sind diese Restriktionen nichtmehr gegeben. Dazu eignet sich das anfangs der 70er Jahre an der University of Berke-ley, Kalifornien, USA, entwickelte Simulationsprogramm SPICE (Simulation Program withIntegrated Circuit Emphasis) zur Schaltkreisanalyse insbesondere für Integrierte Schaltun-gen. Der Firma MicroSim gelang es im Jahre 1985, SPICE auf den PC zu exportieren(PSPICE) [10]. Dadurch lässt sich das Beuken-Modell mit einem PC digital berechnen. Das Programm PSPICE analysiert sowohl analoge als auch digitale, lineare und nicht-lineare Schaltkreise zuverlässig und - falls erforderlich - in Nanosekundenschritten.

Daher eignet sich das Beuken-Modell in Kombination mit PSPICE insbesondere als

Prüf- bzw. Eichinstrument für Berechnungsverfahren.

Aufbauend auf diesen Grundlagen hat Rouvel [7] 1972 ein analoges und digitales Rechen-verfahren mittels eines elektrischen „Ersatzmodells“ für die Bauteile eines Raumes hergelei-tet, das eine analytische Lösung des Berechnungsalgorithmus ermöglicht. Diese Modellbildung für den Raum wird als

n-Kapazitäten-Modell (n-K-Modell)(n Bauteile je Raum mit jeweils 1 bis 2 Kapazitäten je Bauteil)

bezeichnet.Im Programmsystem „GEBSIMU Thermische Gebäudesimulation“ ist dies seit den 70-erJahrenfür die praktische Anwendung erfolgreich umgesetzt und wird kontinuierlich gepflegt.

Eine weitere Vereinfachung der Modellbildung – ohne wesentliche Beeinträchtigung derGenauigkeit - beschreiben Rouvel und Zimmermann in [8], [9] und [12] als

2-Kapazitäten-Modell (2-K-Modell)(2 Kapazitäten für den Raum mit n Bauteilen)

Das n-K-Modell von Rouvel [7] ist in VDI 6020 Basis (Referenz) zur Validierung vonRechenverfahren zur thermischen Gebäudesimulation.

Im Programmsystem „GEBSIMU Thermische Gebäudesimulation“ sind beide Modelle alsalternative Berechnungsverfahren enthalten.Es werden für beide Modelle dieselben Eingabedaten verwendet; es ist nur ein Um-schalten für den zu verwendenden Berechnungsalgorithmus

• n-K-Modell nach Rouvel

• 2-K-Modell nach Rouvel und Zimmermannerforderlich.

Das 2-K-Modell von Rouvel und Zimmermann [12] ist in der VDI 6007-1 [14] als„Raummodell“ eingegangen und ist somit Grundlage für die Berechnung der Kühllastenund der Raumtemperaturen nach VDI 2078 [13].

VDI 6020 1 - Vorbemerkung

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2 Kurzbeschreibung der Testbeispiele

Die Richtlinie VDI 6020 enthält 16 Testbeispiele.Diese Testbeispiele dienen der Validierung der Programme und sollen zudem Aufschlussüber die Einflüsse von Standort, Bauweise, Anlagensystem und Regelung geben. DieDiskussion dieser Ergebnisse erfolgt in Kapitel 5.

Nachstehend sind nur die zum Verständnis der Aufgabenstellung notwendigen Randbedin-gungen aufgeführt.

Bild 1: Zuordnung der Test- und Validierungsbeispiele in den RichtlinienVDI 6020, VDI 2078 und VDI 6007-1

Die Testbeispiele 1 bis 7 dienen der Validierung des Rechenkerns (Raum-Modell) vonProgrammen. Diese Testbeispiele 1 bis 7 sind daher in VDI 6020 und in VDI 6007-1(2-Kapazitäten-Modell) identisch.

Die Testbeispiele 8 bis 16 dienen der Validierung der Einflüsse und Randbedingungen auf dieHeiz- und Kühlleistungen und das thermische Raumklima, wie

VDI 6020 2- Kurzbeschreibung der Testbeispiele

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• kurz- und langwellige Einstrahlung auf beliebig orientierte und beliebig geneigteAußenflächen

• Wärmeeintrag durch beliebig orientierte und beliebig geneigte transparenteAußenflächen

• Betätigung des Sonnenschutzes• von der Helligkeit abhängiges Ein- und Ausschalten der Beleuchtung• Regelstrategie für die Raumtemperatur• Berücksichtigung des Anlagenkonzeptes, wie

Deckenkühlung / BauteilkühlungQuelllüftungFensterlüftung ohne Kühlung

Diese Testbeispiele 8 bis 16 sind in VDI 6020 und in VDI 2078 identisch.

Für alle Testbeispiele werden die Ergebnisse für das 2-Kapazitäten-Model nach dem Rechen-kern der VDI 6007-1 (in GEBSIMU enthalten) mit den Werten für das n-Kapazitäten-Modell( GEBSIMU ) verglichen.Das n-K-Modell von GEBSIMU ist in VDI 6020 Basis (Referenzmodell) zur Validierung vonRechenverfahren zur thermischen Gebäudesimulation.

Hinweis zu den Testbeispielen 1 bis 7: ( Validierung nach VDI 6020 und gleichzeitig nach VDI 6007-1)

Die Berechnung des thermischen Raumverhaltens mit vorgegebenen äußeren und innerenWärmequellen und -senken erfolgt über einen Zeitraum von 60 Tagen. Dabei sind dieseWärmequellen und -senken im Zeitgang über den Tag in allen 60 Tagen gleich.

Zum Startzeitpunkt der Berechnung und ausreichend lange Zeit davor sind folgendeRandbedingungen einzuhalten:• Außentemperatur 22 °C• Temperatur im Nebenraum zum Fußboden (Keller) 15 °C (nur im Testbeispiel 10)• äußere und innere Wärmequellen 0 W• Raumtemperatur stationär (Berechnungsergebnis als Folge der vorgenannten

Randbedingungen

Testbeispiel 1: ( Validierung nach VDI 6020 und gleichzeitig nach VDI 6007-1)

Berechnung der Reaktion Raumlufttemperatur auf eine konvektive innere Wärmequelle fürden “alten" Typraum S nach VDI 2078 (1996) :

Keine sonstigen äußeren und inneren Wärmequellen/-senken, d.h.:· Außentemperatur konstant 22 °C· keine kurzwellige Einstrahlung auf die Außenwand

VDI 6020 2- Kurzbeschreibung der Testbeispiele

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· keine kurzwellige Einstrahlung durch das Außenfenster· kein langwelliger Strahlungsaustausch zwischen Außenwand,

Fenster und Umgebung

Testbeispiel 2: ( Validierung nach VDI 6020 und gleichzeitig nach VDI 6007-1)

Berechnung der Reaktion Raumlufttemperatur auf eine strahlende innere Wärmequelle fürden “alten" Typraum S nach VDI 2078 (1996) :

Keine sonstigen äußeren und inneren Wärmequellen/-senken, d.h.:· Außentemperatur konstant 22 °C· keine kurzwellige Einstrahlung auf die Außenwand· keine kurzwellige Einstrahlung durch das Außenfenster· kein langwelliger Strahlungsaustausch zwischen Außenwand,

Fenster und Umgebung

Testbeispiel 3: ( Validierung nach VDI 6020 und gleichzeitig nach VDI 6007-1)

Berechnung der Reaktion Raumlufttemperatur auf eine konvektive innere Wärmequelle fürden “alten" Typraum L nach VDI 2078 (1996) :

Keine sonstigen äußeren und inneren Wärmequellen/-senken, d.h.:· Außentemperatur konstant 22 °C· keine kurzwellige Einstrahlung auf die Außenwand· keine kurzwellige Einstrahlung durch das Außenfenster· kein langwelliger Strahlungsaustausch zwischen Außenwand,

Fenster und Umgebung

Testbeispiel 4: ( Validierung nach VDI 6020 und gleichzeitig nach VDI 6007-1)

Berechnung der Reaktion Raumlufttemperatur auf eine strahlende innere Wärmequelle fürden “alten" Typraum L nach VDI 2078 (1996) :

Keine sonstigen äußeren und inneren Wärmequellen/-senken, d.h.:· Außentemperatur konstant 22 °C· keine kurzwellige Einstrahlung auf die Außenwand· keine kurzwellige Einstrahlung durch das Außenfenster· kein langwelliger Strahlungsaustausch zwischen Außenwand,

Fenster und Umgebung

VDI 6020 2- Kurzbeschreibung der Testbeispiele

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Testbeispiel 5: ( Validierung nach VDI 6020 und gleichzeitig nach VDI 6007-1)

Berechnung der Reaktion Raumlufttemperatur auf gemischte innere und äußereWärmequellen/-senken für den “alten" Typraum S nach VDI 2078 (1996) :

· Außentemperatur im Tagesgang vorgegeben· kurzwellige Einstrahlung durch das Außenfenster· Grenzwert der globalen Sonnenstrahlung, bei dem der Sonnenschutz

geschlossen wird: > 100 W/m²· Weitere Randbedingungen:

o keine kurzwellige Einstrahlung auf die Außenwando kein langwelliger Strahlungsaustausch zwischen Außenwand,

Fenster und Umgebung

Testbeispiel 6: ( Validierung nach VDI 6020 und gleichzeitig nach VDI 6007-1)

Lastberechnung bei Einhaltung der Sollwerte der Raumtemperatur und Vorgabe einesSollwertsprungs für den “alten" Typraum S nach VDI 2078 (1996) :

Aufbauend auf Testbeispiel 2 (strahlende innere Wärmequelle )· Außentemperatur konstant 22 °C· keine kurzwellige Einstrahlung auf die Außenwand· keine kurzwellige Einstrahlung durch das Außenfenster· kein langwelliger Strahlungsaustausch zwischen Außenwand,

Fenster und Umgebung

Testbeispiel 7: ( Validierung nach VDI 6020 und gleichzeitig nach VDI 6007-1)

Lastberechnung bei Einhaltung der Sollwerte und der Raumtemperatur und Vorgabe einesSollwertsprungs für den “alten" Typraum S nach VDI 2078 (1996) :

Wie Testbeispiel 6

Modifikation des Testbeispieles 6:· begrenzte Auslegungsleistung für Heizen und Kühlen

VDI 6020 2- Kurzbeschreibung der Testbeispiele

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Hinweis zu den Testbeispielen 8 bis 16: ( Validierung nach VDI 6020 und gleichzeitignach VDI 2078)

Die Berechnungen werden mit dem Testreferenzjahr TRY 5 für Würzburg (DWD 1985)durchgeführt. Testbeispiel 8: ( Validierung nach VDI 6020 und gleichzeitig nach VDI 2078)

Berechnung der Strahlungslast nach dem Testreferenzjahr bei lang- und kurzwelligemStrahlungsaustausch mit der Umgebung für eine Südseite.

Testbeispiel 9: ( Validierung nach VDI 6020 und gleichzeitig nach VDI 2078)

Wie Testbeispiel 8, jedoch ohne den langwelligen Strahlungsaustausch mit der Umgebung.

Testbeispiel 10: ( Validierung nach VDI 6020 und gleichzeitig nach VDI 2078)

Umrechnung der solaren Gesamtstrahlung aus dem Testreferenzjahr für senkrechte Flächenmit den 4 Himmelsrichtungen (N, S, O und W) sowie auf die Horizontale.Gesamteinstrahlung vor und hinter der Durchtrittsfläche (Verglasung)

Testbeispiel 11: ( Validierung nach VDI 6020 und gleichzeitig nach VDI 2078)

Das Testbeispiel 11 der VDI 6020 wurde nicht in die VDI 2078 übernommen. Anstelle desTestbeispiels 11 nach VDI 6020 ist ein neues gleichwertiges Testbeispiel 7 in die VDI 2078aufgenommen worden.

Testbeispiel 12 und 13: ( Validierung nach VDI 6020 und gleichzeitig nach VDI 2078)

Die Ganzjahressimulationen 12 und 13 werden für eine maximale Raumlufttemperatur von24 °C durchgeführt.Randbedingung ist der “alte" Typraum S nach VDI 2078 (1996).Des weiteren ist bei den Testbeispielen 12 und 13 eine 2-Punkt-Regelung nach der Raum-lufttemperatur (Heizen: 22 °C und Kühlen: 24 °C) vorgesehen.

Testbeispiel 12 und 13 unterscheiden sich in der Nutzung der Beleuchtung. In Beispiel 12wird die Beleuchtung helligkeitsabhängig gesteuert. Beispiel 13 wird ohne Beleuchtunggerechnet.

VDI 6020 2- Kurzbeschreibung der Testbeispiele

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Hinweis zu den Testbeispielen 14 bis 16 in der VDI 6020:

Die Beispiele 14, 15, 16.1 und 16.2 sind zusätzliche Testbeispiele der VDI 6020 (derzeit inÜberarbeitung). Sie dienen sowohl der Validierung nach VDI 6020 als auch der Darstellungder Rückkopplung zwischen Raum und Anlage. Für diese Testbeispiele gelten folgende Randbedingungen:

o "alter" Typraum S nach VDI 2078 (1996)o Kennwerte für Fenster + Sonnenschutz entsprechend

dem jeweiligen Testbeispiel 3.1, 4, 6.2 bzw. 6.4 der “neuen” VDI 2078o Restwärmefaktor bei Quellluft wie Testbeispiel 4 der “neuen” VDI 2078o Personenwärme entsprechend der “neuen” VDI 2078

Testbeispiel 14: ( Validierung nach VDI 6020 und gleichzeitig nach VDI 2078)

Deckenkühlung (mit Fensterlüftung):Berechnung der erforderlichen Kühllast, sowie Tagesgang von Raumluft- und operativerTemperatur mit begrenzter Leistung (Einpunkt-Regelung, Regler ohne P-Bereich, verfügbareLeistung abhängig von der Raumtemperatur) bei Vorgabe einer maximalen Raumluft-temperatur von 26 °C.

Kühlung des Raumes mittels einer Kühldecke (keine mechanische Lüftung).Grundluftwechsel (personenbedingt) durch Fensteröffnen/Fensterkippen.Kein zusätzlicher Fensterluftwechsel, wenn es im Raum zu warm wird.Fensterlüftung nur während der Verkehrszeit zwischen 7:00 und 17:00 Uhr.

Testbeispiel 15: ( Validierung nach VDI 6020 und gleichzeitig nach VDI 2078)

Quellluft-Anlage:

Begrenzung der Leistung durch eine vorgegebene Luftmenge mit Temperatur von 21 °C.

Die vorzugebende Luftmenge ist iterativ nach folgenden Vorgaben zu bestimmen:

In Anlehnung an DIN 4108-2 sollte der Grenzwert von 25 °C für die operative

Temperatur an nicht mehr als an 10 % der Verkehrszeit überschritten werden.

Sollte ein Luftwechsel größer 4 1/h (hier 210 m³/h) erforderlich sein, so ist er auf

LW=4 1/h zu begrenzen.

Berechnung von Raumluft- und operativer Temperatur und deren Häufigkeit im Testrefe-

renzjahr.

VDI 6020 2- Kurzbeschreibung der Testbeispiele

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Testbeispiel 16: ( Validierung nach VDI 6020 und gleichzeitig nach VDI 2078)

Fensterlüftung ohne Kühlung:

Berechnung der Raumlufttemperatur und der operativen Temperatur mit Häufigkeit der

Temperaturen im Testreferenzjahr.

Testbeispiel 16.1:

Personenbedingter Grundluftwechsel durch Fensteröffnen/Fensterkippen;

Zusätzlich wird während der Verkehrszeit der Fensterluftwechsel erhöht, wenn es im

Raum zu warm wird.

Diese zusätzliche Fensterlüftung wird von den Raumnutzern manuell vorgenommen und

ist daher auch auf den Zeitbereich der Verkehrszeit begrenzt.

Testbeispiel 16.2:

Wie Testbeispiel 16.1: Zusätzliche Fensterlüftung auch nachts und am Wochenende,

wenn es im Raum zu warm wird.

Diese zusätzliche Fensterlüftung nachts und am Wochenende wird als von der Tempera-

turdifferenz Raumlufttemperatur zu Außentemperatur abhängige "variable" Lüftung vor-

genommen.

VDI 6020 2- Kurzbeschreibung der Testbeispiele

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3 Validierung

Eine Validierung von EDV-Programmen, die den Rechenkern der VDI 6007-1 (2-Kapazitäten-

Modell) verwenden, kann mit den in VDI 6007-1 und in VDI 2078 beschriebenen Testbei-

spiele erfolgen.

Dabei müssen die Berechnungsergebnisse der VDI 6007-1 folgende Bedingungen einhalten:

o "Raumlufttemperatur" und "operative (empfundene) Temperatur" im Bereich der

Ergebnisse von Programm 1 und Programm 2 für die Testbeispiele +- 0,1 °C

o "Heiz- und Kühllasten" im Bereich der Ergebnisse von Programm 1 und Programm 2

für die Testbeispiele +- 1 W

Zusätzlich müssen Programme, die den Rechenkern nach VDI 6007-1 (2-Kapazitäten-

Modell) nutzen, folgende Bedingungen für die Berechnungsergebnisse der VDI 2078

einhalten:

o "Raumlufttemperatur" und "operative (empfundene) Temperatur" im Bereich der

Ergebnisse von Programm 1 und Programm 2 für die Testbeispiele +- 0,2 °C

o "Heiz- und Kühllasten" im Bereich der Ergebnisse von Programm 1 und Programm 2

für die Testbeispiele +- 5 W

Die Ergebnisse für Programm 2 bzw. für Programm XYZ in der VDI 6007-1 sind mitGEBSIMU 2-K-Modell ermittelt worden.Daher ist das Programmsystem GEBSIMU 2-K-Modell zu 100% nach VDI 6007-1validiert.

Die Ergebnisse für Programm 1 bzw. für Programm XYZ in der VDI 2078 sind mitGEBSIMU 2-K-Modell ermittelt worden.Daher ist das Programmsystem GEBSIMU 2-K-Modell zu 100% nach VDI 2078 validiert.

VDI 6020 3- Validierung

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Programme, die einen anderen Rechenkern als das 2-Kapazitäten-Modell der VDI 6007-1

nutzen, müssen die in VDI 6020 und VDI 2078 beschriebenen Validierungsvorgaben

einhalten.

Bezüglich des GEBSIMU n-K-Modells gilt hierzu folgende Feststellung:

Die Validierung des 2-K-Modells der VDI 6007-1 - identisch mit dem GEBSIMU 2-K-Modell -

nach den Anforderungen der VDI 6020 ist für die Testbeispiele der VDI 6020 in der Tabelle

1 (Überblick) und den Tabellen 2 bis 5 (Detailergebnisse) zusammengestellt.

Eine grafische Auswertung der wesentlichen Ergebnisse für die 16 Testbeispiele der VDI

6020 findet sich im Abschnitt 5 (Anhang: Vergleich der Berechnungsergebnisse).

Die Ergebnisse für Programm XYZ in der VDI 6020 sind mit GEBSIMU 2-K-Modell ermittelt worden.Daher ist das Programmsystem GEBSIMU 2-K-Modell zu 100% nach VDI 6020 (Fall 1und Fall2)validiert.

Das GEBSIMU n-K-Modell ist in VDI 6020 Basis (Referenz) zur Validierung von Rechen-verfahren zur thermischen Gebäudesimulation und damit auch Basis (Referenz) zurValidierung der VDI 6007-1 und VDI 2078. Daher ist das Programmsystem GEBSIMU n-K-Modell zu 100% nach VDI 6020 sowienach VDI 6007-1 und VDI 2078 validiert.

Im Installations-Setup von GEBSIMU sind für alle Testbeispiele der VDI 6007-1, der VDI6020 und der VDI 2078 die Eingabe- und Ergebnis-Dateien sowohl für das n-K-Modell alsauch für das 2-K-Modell enthalten.

VDI 6020 3- Validierung

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Tabelle 1 : Validierung des 2-K-Modells der VDI 6007-1

( identisch mit dem GEBSIMU 2-K-Modell )

- Überblick zu den 16 Testbeispielen der VDI 6020 -

VDI 6020 3- Validierung

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Tabelle 2 :Validierung des 2-K-Modells der VDI 6007-1

( identisch mit dem GEBSIMU 2-K-Modell )

- Detailergebnisse für Testbeispiel 1 bis 7 der VDI 6020 -

VDI 6020 3- Validierung

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Tabelle 3: Validierung des 2-K-Modells der VDI 6007-1

( identisch mit dem GEBSIMU 2-K-Modell )

- Detailergebnisse für Testbeispiel 8 und 9 der VDI 6020 -

VDI 6020 3- Validierung

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Tabelle 4 :Validierung des 2-K-Modells der VDI 6007-1

( identisch mit dem GEBSIMU 2-K-Modell )

- Detailergebnisse für Testbeispiel 10 der VDI 6020-

VDI 6020 3- Validierung

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Tabelle 5 :Validierung des 2-K-Modells der VDI 6007-1

( identisch mit dem GEBSIMU 2-K-Modell )

- Detailergebnisse für Testbeispiel 12 bis 16 der VDI 6020 -

VDI 6020 3- Validierung

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4 Literaturverzeichnis

[1] Beuken, D.L.: Wärmeverluste bei periodisch betriebenen Öfen. Dissertation Freiburg

1936.

[2] Brockmeier, K.-H.: Über ein Beukenmodell kleinster Abmessungen. Elektrotechnische

Zeitschrift 72 (1951) Heft 17, S. 525/528.

[3] Euser, P.: Thermische Storingsbronnen. Technisch Physische Dienst. TNO-TH, Delft,

Leergang 1967.

[4] Bovy, A.J.: Die Entwicklung des Analogieverfahrens zur Lösung nichtstationärer

Wärmeprobleme in den letzten zehn Jahren. Ve Congres International d Electro-

thermie, Wiesbaden 1963, Section 5, Nr. 623.

[5] Köhne, H. u. G. Wölk.: Das digitale Beukenmodell - eine Methode zur Berechnung

instationärer Wärmeleitvorgänge. Elektrowärme international 27 (1969) Nr. 7, S.

302/308.

[6] Rouvel, L., Seifert, C. und Zimmermann, F.; Die künftige VDI 2078 im Kontext zur

europäischen Normung, HLH Bd. 59 (2008) Nr. 8 - August S. 49/54

[7] Rouvel, L.: Berechnung des wärmetechnischen Verhaltens von Räumen bei dyna-

mischen Wärmelasten

Brennstoff-Wärme-Kraft 24 (1972), Nr. 6, S. 245/262.

[8] Rouvel, L., u. F. Zimmermann: Ein regelungstechnisches Modell zur Beschreibung des

thermisch dynamischen Raumverhaltens, Teil 1 und Teil 2, Heizung-Lüftung-Haus-

technik 48 (1997) Nr. 10 und 12

[9] Rouvel, L., u. F. Zimmermann: Ein regelungstechnisches Modell zur Beschreibung des

thermisch dynamischen Raumverhaltens, Teil 3, Heizung-Lüftung-Haustechnik 49

(1998) Nr. 1

[10] PSPICE , PC-Version von SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Empha-

sis), MicroSim Corporation: Design Center mit PSPICE Version 7.1, October 1996.

VDI 6020 4- Literaturverzeichnis

Page 20: GEBSIMU · o Restwärmefaktor bei Quellluft wie Testbeispiel 4 der “neuen” VDI 2078 o Personenwärme entsprechend der “neuen” VDI 2078 Testbeispiel 14: ( Validierung nach

- 18 -

[11] Rouvel, L.: Raumkonditionierung - Wege zum energetisch optimierten Gebäude

Schriftenreihe der Forschungsstelle für Energiewirtschaft Band 12, Springer Verlag

Berlin Heidelberg New York 1978

[12] Rouvel, L. und Zimmermann, F.; Berechnung des instationären thermischen Gebäude-

verhaltens, LH Bd. 55 (2004) Nr. 3 S. 39/46 und Nr. 4 S. 24/30

[13] VDI 2078 Juli 1996: Berechnung von Kühllast klimatisierter Räume (VDI-Kühllastregeln)

VDI 2078 Juni 2015: Berechnung der thermischen Lasten und Raumtemperaturen

(Auslegung Kühllast und Jahressimulation)

[14] VDI 6007- Blatt 1 Juni 2015: Berechnung des instationären thermischen Verhaltens von

Räumen und Gebäuden - Raummodell

[15] VDI 6007- Blatt 2 März 2012: Berechnung des instationären thermischen Verhaltens

von Räumen und Gebäuden - Fenstermodell

[16] VDI 6007- Blatt 3 Juni 2015: Berechnung des instationären thermischen Verhaltens von

Räumen und Gebäuden - Modell der solaren Einstrahlung

[17] VDI 6020 Blatt 1 Mai 2001: Anforderungen an Rechenverfahren zur Gebäude- und

Anlagensimulation - Gebäudesimulation

VDI 6020 Entwurf September 2016: Anforderungen an thermisch energetische Rechen-

verfahren zur Gebäude- und Anlagensimulation

VDI 6020 4- Literaturverzeichnis

Page 21: GEBSIMU · o Restwärmefaktor bei Quellluft wie Testbeispiel 4 der “neuen” VDI 2078 o Personenwärme entsprechend der “neuen” VDI 2078 Testbeispiel 14: ( Validierung nach

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5 Anhang: Vergleich der Berechnungsergebnisse

Vergleich der Berechnungsergebnisse von GEBSIMU 2-K-Modell und

GEBSIMU n-K-Modell für die Test - und Validierungsbeispiele

nach VDI 6020

(die Ergebnisse nach GEBSIMU n-K-Modell sind gleichzeitig die Referenzergeb-

nisse nach VDI 6020):

dargestellt in der Systematik der Richtlinie VDI 6020 :

Es werden die charakteristischen Ergebnisse der Testbeispiele hinsichtlich der Auswirkungen

von Vorgaben zur Raumtemperatur, zur Bauweise, zur Anlagentechnik, zur Betriebswiese und

Regelungsstrategie aufgezeigt.

Die in diesem Abschnitt gezeigten graphischen Auswertungen bilden nicht alle Ergebnisse ab.

Die getroffene Auswahl nach VDI 6020 dient nur der Veranschaulichung wichtiger Zusammen-

hänge.

VDI 6020 5 - Anhang: Vergleich der Berechnungsergebnisse

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Testbeispiel 1

Validierung nach VDI 6020 und gleichzeitig nach VDI 6007-1

Berechnung der Reaktion Raumlufttemperatur auf eine konvektive innere Wärmequelle für

den “alten” Typraum S nach VDI 2078 (1996) :

Keine sonstigen äußeren und inneren Wärmequellen/-senken, d.h.:

· Außentemperatur konstant 22 °C

· keine kurzwellige Einstrahlung auf die Außenwand

· keine kurzwellige Einstrahlung durch das Außenfenster

· kein langwelliger Strahlungsaustausch zwischen Außenwand,

Fenster und Umgebung

1. Tag 10. Tag 60. Tag

VDI 6020 5 - Anhang: Vergleich der Berechnungsergebnisse

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Testbeispiel 2

Validierung nach VDI 6020 und gleichzeitig nach VDI 6007-1

Berechnung der Reaktion Raumlufttemperatur auf eine strahlende innere Wärmequelle für den

“alten” Typraum S nach VDI 2078 (1996) :

Keine sonstigen äußeren und inneren Wärmequellen/-senken, d.h.:

· Außentemperatur konstant 22 °C

· keine kurzwellige Einstrahlung auf die Außenwand

· keine kurzwellige Einstrahlung durch das Außenfenster

· kein langwelliger Strahlungsaustausch zwischen Außenwand,

Fenster und Umgebung

1. Tag 10. Tag 60. Tag

VDI 6020 5 - Anhang: Vergleich der Berechnungsergebnisse

Page 24: GEBSIMU · o Restwärmefaktor bei Quellluft wie Testbeispiel 4 der “neuen” VDI 2078 o Personenwärme entsprechend der “neuen” VDI 2078 Testbeispiel 14: ( Validierung nach

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Testbeispiel 3

Validierung nach VDI 6020 und gleichzeitig nach VDI 6007-1

Berechnung der Reaktion Raumlufttemperatur auf eine konvektive innere Wärmequelle für den

“alten” Typraum L nach VDI 2078 (1996) :

Keine sonstigen äußeren und inneren Wärmequellen/-senken, d.h.:

· Außentemperatur konstant 22 °C

· keine kurzwellige Einstrahlung auf die Außenwand

· keine kurzwellige Einstrahlung durch das Außenfenster

· kein langwelliger Strahlungsaustausch zwischen Außenwand,

Fenster und Umgebung

1. Tag 10. Tag 60. Tag

VDI 6020 5 - Anhang: Vergleich der Berechnungsergebnisse

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Testbeispiel 4

Validierung nach VDI 6020 und gleichzeitig nach VDI 6007-1

Berechnung der Reaktion Raumlufttemperatur auf eine strahlende innere Wärmequelle für den

“alten” Typraum L nach VDI 2078 (1996) :

Keine sonstigen äußeren und inneren Wärmequellen/-senken, d.h.:

· Außentemperatur konstant 22 °C

· keine kurzwellige Einstrahlung auf die Außenwand

· keine kurzwellige Einstrahlung durch das Außenfenster

· kein langwelliger Strahlungsaustausch zwischen Außenwand,

Fenster und Umgebung

1. Tag 10. Tag 60. Tag

VDI 6020 5 - Anhang: Vergleich der Berechnungsergebnisse

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Testbeispiel 5

Validierung nach VDI 6020 und gleichzeitig nach VDI 6007-1

Berechnung der Reaktion Raumlufttemperatur auf gemischte innere und äußere

Wärmequellen/-senken für den “alten” Typraum S nach VDI 2078 (1996) :

o Außentemperatur im Tagesgang vorgegeben

o kurzwellige Einstrahlung durch das Außenfenster

o Grenzwert der globalen Sonnenstrahlung, bei dem der Sonnenschutz geschlossen

wird: > 100 W/m²

o keine kurzwellige Einstrahlung auf die Außenwand

o kein langwelliger Strahlungsaustausch zwischen Außenwand, Fenster und Umgebung

1. Tag 10. Tag 60. Tag

VDI 6020 5 - Anhang: Vergleich der Berechnungsergebnisse

Page 27: GEBSIMU · o Restwärmefaktor bei Quellluft wie Testbeispiel 4 der “neuen” VDI 2078 o Personenwärme entsprechend der “neuen” VDI 2078 Testbeispiel 14: ( Validierung nach

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Testbeispiel 6

Validierung nach VDI 6020 und gleichzeitig nach VDI 6007-1

Lastberechnung bei Einhaltung der Sollwerte der Raumtemperatur und Vorgabe eines

Sollwertsprungs für den “alten” Typraum S nach VDI 2078 (1996) :

Aufbauend auf Testbeispiel 2 (strahlende innere Wärmequelle )

· Außentemperatur konstant 22 °C

· keine kurzwellige Einstrahlung auf die Außenwand

· keine kurzwellige Einstrahlung durch das Außenfenster

· kein langwelliger Strahlungsaustausch zwischen Außenwand,

Fenster und Umgebung

1. Tag 10. Tag 60. Tag

VDI 6020 5 - Anhang: Vergleich der Berechnungsergebnisse

Page 28: GEBSIMU · o Restwärmefaktor bei Quellluft wie Testbeispiel 4 der “neuen” VDI 2078 o Personenwärme entsprechend der “neuen” VDI 2078 Testbeispiel 14: ( Validierung nach

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Testbeispiel 7

Validierung nach VDI 6020 und gleichzeitig nach VDI 6007-1

Lastberechnung bei Einhaltung der Sollwerte und der Raumtemperatur und Vorgabe eines

Sollwertsprungs für den “alten” Typraum S nach VDI 2078 (1996) :

Wie Testbeispiel 6

Modifikation des Testbeispieles 6:

· begrenzte Auslegungsleistung für Heizen und Kühlen

1. Tag 10. Tag 60. Tag

VDI 6020 5 - Anhang: Vergleich der Berechnungsergebnisse

Page 29: GEBSIMU · o Restwärmefaktor bei Quellluft wie Testbeispiel 4 der “neuen” VDI 2078 o Personenwärme entsprechend der “neuen” VDI 2078 Testbeispiel 14: ( Validierung nach

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Testbeispiel 8 und 9

Validierung nach VDI 6020 und gleichzeitig nach VDI 2078

Berechnung der Strahlungslast nach dem Testreferenzjahr TRY5 für Würzburg (DWD 1985)

Testbeispiel 8: bei lang- und kurzwelligem Strahlungsaustausch mit der Umgebung

Testbeispiel 9: nur kurzwelliger Strahlungsaustausch mit der Umgebung

Südseite

11. August 21. August

VDI 6020 5 - Anhang: Vergleich der Berechnungsergebnisse

Page 30: GEBSIMU · o Restwärmefaktor bei Quellluft wie Testbeispiel 4 der “neuen” VDI 2078 o Personenwärme entsprechend der “neuen” VDI 2078 Testbeispiel 14: ( Validierung nach

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Testbeispiel 10

Validierung nach VDI 6020 und gleichzeitig nach VDI 2078

Umrechnung der solaren Einstrahlung aus dem TRY5 für Würzburg (DWD 1985) auf senkrech-

te Flächen mit den 4 Himmelsrichtungen (S, N, O und W) sowie auf die Horizontale für den

11. August

Gesamteinstrahlung vor und hinter der Durchtrittsfläche (Verglasung)

Süd Nord

Ost West

Horizontal

VDI 6020 5 - Anhang: Vergleich der Berechnungsergebnisse

Page 31: GEBSIMU · o Restwärmefaktor bei Quellluft wie Testbeispiel 4 der “neuen” VDI 2078 o Personenwärme entsprechend der “neuen” VDI 2078 Testbeispiel 14: ( Validierung nach

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Testbeispiel 12 und 13

Validierung nach VDI 6020 und gleichzeitig nach VDI 2078

Berechnung der konvektiven Heiz- und Kühllasten für den “alten" Typraum S (nach VDI 2078

(1996) bzw. VDI 6020-1).

Es ist eine 2-Punkt-Regelung nach der Raumlufttemperatur (Heizen: 22 °C und Kühlen: 24 °C)

vorgesehen.

Testbeispiel 12 und 13 unterscheiden sich in der Nutzung der Beleuchtung. In Beispiel 12 wird

die Beleuchtung helligkeitsabhängig gesteuert. Beispiel 13 wird ohne Beleuchtung gerechnet.

Testreferenzjahr TRY5 Würzburg (DWD 1985)

Testbeispiel 12 Testbeispiel 13

11.August mit Beleuchtung 11. August ohne Beleuchtung

2-K-Modell: Programm XYZ = GEBSIMU 2-K-Modell

n-K-Modell: VDI 6020 Referenz = GEBSIMU n-K-Modell

VDI 6020 5 - Anhang: Vergleich der Berechnungsergebnisse

Page 32: GEBSIMU · o Restwärmefaktor bei Quellluft wie Testbeispiel 4 der “neuen” VDI 2078 o Personenwärme entsprechend der “neuen” VDI 2078 Testbeispiel 14: ( Validierung nach

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Testbeispiel 14

Validierung nach VDI 6020 und gleichzeitig nach VDI 2078

Kühldecke (keine mechanische Lüftung) mit begrenzter Leistung bei Vorgabe einer max.

Raumlufttemperatur von 26 °C; in Anlehnung an Testbeispiel 3.1.

Grundluftwechsel (personenbedingt) durch Fensteröffnen/Fensterkippen.

"Alter" Typraum S nach VDI 2078 (1996)

Testreferenzjahr TRY5 Würzburg (DWD 1985)

2-K-Modell n-K-Modell

Leistung der Kühldecke 1150 W bei 10 K 1150 W bei 10 K

11. August 13. Januar

2-K-Modell: Programm XYZ = GEBSIMU 2-K-Modell

n-K-Modell: VDI 6020 Referenz = GEBSIMU n-K-Modell

VDI 6020 5 - Anhang: Vergleich der Berechnungsergebnisse

Page 33: GEBSIMU · o Restwärmefaktor bei Quellluft wie Testbeispiel 4 der “neuen” VDI 2078 o Personenwärme entsprechend der “neuen” VDI 2078 Testbeispiel 14: ( Validierung nach

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Testbeispiel 15

Validierung nach VDI 6020 und gleichzeitig nach VDI 2078

Quellluft-Anlage:

Begrenzung der Leistung durch eine vorgegebene Luftmenge als Quellluft mit Temperatur von

21 °C. Vorgaben zur Begrenzung des Zuluftvolumenstromes; in Anlehnung an Testbeispiel 4.

"Alter" Typraum S nach VDI 2078 (1996)

Testreferenzjahr TRY5 Würzburg (DWD 1985)

2-K-Modell n-K-Modell

Zuluftvolumenstrom: 210 m³/h 210 m³/h

11. August 13. Januar

2-K-Modell: Programm XYZ = GEBSIMU 2-K-Modell

n-K-Modell: VDI 6020 Referenz = GEBSIMU n-K-Modell

VDI 6020 5 - Anhang: Vergleich der Berechnungsergebnisse

Page 34: GEBSIMU · o Restwärmefaktor bei Quellluft wie Testbeispiel 4 der “neuen” VDI 2078 o Personenwärme entsprechend der “neuen” VDI 2078 Testbeispiel 14: ( Validierung nach

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Testbeispiel 16.1

Validierung nach VDI 6020 und gleichzeitig nach VDI 2078

Fensterlüftung ohne Kühlung:

Von den Personen in der Verkehrszeit manuell betätigte Fensterlüftung mit Zusatzlüftung,

wenn es im Raum zu warm wird; in Anlehnung an Testbeispiel 6.2.

Diese zusätzliche Fensterlüftung wird von den Raumnutzern manuell vorgenommen und ist

daher auch auf den Zeitbereich der Verkehrszeit begrenzt.

"Alter" Typraum S nach VDI 2078 (1996)

Testreferenzjahr TRY5 Würzburg (DWD 1985)

11. August 13. Januar

2-K-Modell: Programm XYZ = GEBSIMU 2-K-Modell

n-K-Modell: VDI 6020 Referenz = GEBSIMU n-K-Modell

VDI 6020 5 - Anhang: Vergleich der Berechnungsergebnisse

Page 35: GEBSIMU · o Restwärmefaktor bei Quellluft wie Testbeispiel 4 der “neuen” VDI 2078 o Personenwärme entsprechend der “neuen” VDI 2078 Testbeispiel 14: ( Validierung nach

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Testbeispiel 16.2

Validierung nach VDI 6020 und gleichzeitig nach VDI 2078

Fensterlüftung ohne Kühlung (mit Nachtlüftung):

Von den Personen in der Verkehrszeit manuell betätigte Fensterlüftung mit Zusatzlüftung,

wenn es im Raum zu warm wird. Zusätzlich wird nachts und am Wochenende der Raum über

die Fenster gelüftet, wenn es im Raum zu warm ist; in Anlehnung an Testbeispiel 6.4.

Diese zusätzliche Fensterlüftung nachts und am Wochenende wird als von der Temperaturdif-

ferenz Raumlufttemperatur zu Außentemperatur abhängige "variable" Lüftung vorgenommen.

"Alter" Typraum S nach VDI 2078 (1996)

Testreferenzjahr TRY5 Würzburg (DWD 1985)

11. August 13. Januar

2-K-Modell: Programm XYZ = GEBSIMU 2-K-Modell

n-K-Modell: VDI 6020 Referenz = GEBSIMU n-K-Modell

VDI 6020 5 - Anhang: Vergleich der Berechnungsergebnisse

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Testbeispiel 16.1 und 16.2 (Fortsetzung)

Validierung nach VDI 6020 und gleichzeitig nach VDI 2078

Fensterlüftung ohne Kühlung:

Testbeispiel 16.1: ohne Nachtlüftung

Testbeispiel 16.2: mit Nachtlüftung (“variable” Lüftung)

2-K-Modell: Programm XYZ = GEBSIMU 2-K-Modell

n-K-Modell: VDI 6020 Referenz = GEBSIMU n-K-Modell

VDI 6020 5 - Anhang: Vergleich der Berechnungsergebnisse