Schätzung des Gebäudebedarfs

Einer der wichtigsten Eingangsparameter für jede geothermische Simulation ist der Wärme- und Kältebedarf des Gebäudes. Manchmal sind diese Werte auf der Grundlage detaillierter Simulationen oder Messungen bekannt, häufiger jedoch - vor allem in der Anfangsphase - müssen sie geschätzt werden. Dieser Artikel beleuchtet das Thema und untersucht verschiedene Ansätze zur Bewältigung dieser Herausforderung.

Thermischer Gebäudebedarf in GHEtool

Innerhalb von GHEtool ist es möglich, verschiedene Arten von Lastprofilen einzugeben. Zunächst wird zwischen stündlicher und monatlicher Auflösung unterschieden, mit 8.760 bzw. 12 Zeitschritten. In der Regel deckt die Zeitskala der Daten ein einzelnes Jahr ab, d. h. es wird davon ausgegangen, dass der Gebäudebedarf während des gesamten Simulationszeitraums jedes Jahr gleich bleibt. Für phasenweise Projekte, bei denen sich der Gebäudebedarf im Laufe der Zeit entwickelt, können Sie auch Daten mit einer mehrjährigen Zeitskala verwenden. Dieser Artikel konzentriert sich auf die erstgenannte Variante, während ein anderer Artikel sich näher mit mehrjährigen Daten befassen wird.

Stündliche Auflösung

1TP5Die Messung eines Bohrlochs mit stündlicher Auflösung liefert die genauesten Ergebnisse, da Leistungsspitzen (und ihre Dauer, wie in dieser Artikel) sollten nicht mehr geschätzt werden. Die stündlichen Daten werden in der Regel aus dynamischen Gebäudesimulationen (mit Software wie IESVE, DesignBuilder, IDA ICE usw.) generiert oder können im Falle einer Renovierung auf Messdaten beruhen.

!Hinweis
Es ist wichtig zu beachten, dass eine höhere Auflösung nicht automatisch genauere Ergebnisse garantiert. Wenn das stündliche Profil nicht repräsentativ für den tatsächlichen Gebäudebedarf ist, kann das Ergebnis irreführend sein. In solchen Fällen kann ein gut geschätztes Monatsprofil bessere Ergebnisse liefern. Wenn jedoch zuverlässige stündliche Daten zur Verfügung stehen, ist dies nach wie vor der genaueste Ansatz.

!Vorsicht
Stündliche Bedarfsprofile werden manchmal aus anderen Projekten extrapoliert. Dies kann zu ungenauen Entwürfen führen, da Spitzenleistungen und -dauer stark von den Gebäudeeigenschaften abhängen. Vergewissern Sie sich, dass das Bedarfsprofil, aus dem Sie extrapolieren, wirklich repräsentativ für das zu planende Gebäude ist (z. B. Extrapolation aus einer Wohnung innerhalb desselben Wohnblocks).

Monatliche Entschließung

Wenn keine stündlichen Daten verfügbar sind, kann eine monatliche Simulation durchgeführt werden. Dazu sind vier wichtige Eingaben erforderlich - fünf, wenn der Warmwasserbedarf einbezogen wird: die Spitzenleistung für Heizung und Kühlung sowie der jährliche Energiebedarf für Heizung und Kühlung. Jede dieser Angaben wird im Folgenden näher erläutert.

!Hinweis
Obwohl wir uns auf eine monatliche Auflösung beziehen, können Sie in GHEtool Cloud einfach die Jahreswerte eingeben, die dann automatisch auf die Monate verteilt werden, wodurch Sie viel Zeit sparen.

Spitzenleistung für die Heizung

Die Spitzenleistung für die Heizung entspricht der Spitzenleistung der Wärmepumpe des Gebäudes. Wenn die Wärmepumpe eine Leistung von 10 kW hat, kann das Gebäude nicht mehr als 10 kW verbrauchen, und dieser Wert sollte daher als Heizungsspitzenwert festgelegt werden. Je nach regionalen Baunormen basiert diese Wärmepumpenleistung in der Regel auf einer statischen Wärmeverlustberechnung in Bezug auf eine Referenzaußentemperatur (z. B. -8 °C in Belgien).

Modulierende Wärmepumpen

Nehmen wir an, der berechnete statische Wärmeverlust eines Gebäudes beträgt 7 kW. Ein Installateur könnte sich dafür entscheiden, eine 8-kW-Wärmepumpe zu installieren, um eine gewisse Überdimensionierung zu ermöglichen. Dies würde jedoch zu einem überdimensionierten Bohrloch führen, da das Bohrloch in der Lage sein muss, den Spitzenbedarf zu decken. Wenn das System eine modulierende Wärmepumpe verwendet, können Sie im Wärmepumpenregler oft eine niedrigere Spitzenleistung einstellen - zum Beispiel die 8-kW-Wärmepumpe auf maximal 7 kW begrenzen - und so eine unnötige Überdimensionierung des Bohrlochs vermeiden. Das Gleiche gilt, wenn das Emissionssystem (z. B. Heizkörper oder Fußbodenheizung) nicht die volle Wärmepumpenleistung nutzen kann.

!Vorsicht
Selbst wenn der statische Wärmeverlust des Gebäudes unter der Nennleistung der Wärmepumpe liegt, kann eine modulierende Wärmepumpe je nach interner Steuerlogik mit voller Leistung arbeiten. Wenn Ihr Bohrlochfeld für eine Leistung ausgelegt ist, die unter der maximalen Leistung der Wärmepumpe liegt, muss daher unbedingt sichergestellt werden, dass die Steuerungseinstellungen der Wärmepumpe diese Leistungsgrenze durchsetzen.

Frühes Stadium

Wenn die Spezifikationen der Wärmepumpe noch nicht bekannt sind, kann der Spitzenheizungsbedarf anhand etablierter Faustregeln geschätzt werden. Diese beruhen entweder auf der Kapazität des Emissionssystems oder auf allgemeinen Anhaltspunkten in Bezug auf Gebäudetyp und -alter. Nachstehend finden Sie eine Beispieltabelle mit typischen Werten. Beachten Sie jedoch, dass diese Zahlen regionalspezifisch sind und an Ihre örtlichen Gegebenheiten angepasst werden sollten.

(Die Daten stammen aus dem Projekt Cooling 2.0)

(Daten entnommen aus nPro, Werte für das Klima von Berlin)

Gleichzeitigkeit

Wenn mehrere Wärmepumpen an ein zentrales, gemeinsames Sondenfeld angeschlossen sind, ist die resultierende Spitzenleistung nicht einfach die Summe der einzelnen Einheiten. Stattdessen muss ein Gleichzeitigkeitsfaktor angewendet werden. Dies wurde in einem unserer früheren Artikel behandelt, den Sie hier finden können hier.

Spitzenleistung für die Kühlung

Der Ansatz zur Bestimmung der Spitzenkühlleistung hängt davon ab, ob das Bohrloch aktiv für die Kühlung ausgelegt ist oder ob die Kühlung als sekundärer Nutzen betrachtet wird, als ‘nice to have’.

Design zur Kühlung

In wärmeren Klimazonen, in denen die Kühlung eine wichtigere Rolle spielt als die Heizung, wird das Bohrlochfeld in der Regel durch die Spitzeneinblastemperatur begrenzt (siehe unseren Artikel über Bohrlochfeldquadranten für weitere Einzelheiten). In solchen Fällen wird der Kühlbedarf in der Regel in Übereinstimmung mit den örtlichen Bauvorschriften ermittelt, wobei Faktoren wie Verglasungsfläche, g-Wert und U-Wert berücksichtigt werden. Auf der Grundlage dieser Berechnungen wird der Kühlbedarf des Gebäudes auf ähnliche Weise wie der Heizbedarf ermittelt.

Schön zu haben

In Regionen, in denen die Kühlung nicht im Vordergrund steht, wird das Emissionssystem im Allgemeinen nicht so ausgelegt, dass es im Sommer thermischen Komfort garantiert. Hier wird die Kühlung oft als “nice to have”-Funktion behandelt - ein zusätzlicher Vorteil der Installation eines geothermischen Bohrlochs. In diesem Fall basiert die Spitzenkühlleistung in der Regel auf der Kapazität des Emissionssystems (das ursprünglich für die Heizung ausgelegt war). Siehe die Tabelle mit den typischen Kapazitäten von Emissionssystemen, die weiter oben aufgeführt ist.

Frühes Stadium

In der Anfangsphase eines Projekts kann der Spitzenkältebedarf - ebenso wie der Heizbedarf - anhand grundlegender Faustregeln geschätzt werden, wobei entweder die Kapazität des Emissionssystems oder Werte ähnlicher Referenzgebäude herangezogen werden.

Energiebedarf für Heizung

Während die Spitzenleistung ein wichtiger Aspekt des Energieprofils eines Gebäudes ist, ist der andere Schlüsselparameter für die Auslegung des Heizfeldes der jährliche Energiebedarf für die Heizung. Dieser kann auf verschiedene Weise geschätzt werden: anhand von Volllaststunden, Faustregeln oder Heizgradtagen.

Volllaststunden

Die Verwendung von Volllaststunden ist eine unkomplizierte Methode zur Schätzung des jährlichen Energiebedarfs auf der Grundlage der bekannten (oder geschätzten) Spitzenleistung. Wenn ein System für x Stunden pro Jahr mit Spitzenlast betrieben wird, ergibt sich der Gesamtenergiebedarf wie folgt: $1TP11Energie = Spitzenleistung \cdot FLH$$. Nachstehend finden Sie eine Tabelle mit Richtwerten für Volllaststunden für verschiedene Gebäudetypen.

!Vorsicht
Wie bereits erwähnt, kann die installierte Wärmepumpe im Verhältnis zum tatsächlichen Spitzenbedarf des Gebäudes überdimensioniert sein. Um eine Überschätzung zu vermeiden, ist es ratsam, die FLH auf den statischen Wärmeverlust des Gebäudes und nicht auf die installierte Wärmepumpenleistung anzuwenden.

(Die Daten stammen von SenterNovem, Cijfers en Tabellen 2007)

Faustformel

Wie bei der Spitzenleistung kann auch der Jahresheizwärmebedarf anhand von Erfahrungswerten auf Basis der Geschossfläche abgeschätzt werden. Die folgende Tabelle zeigt typische Wärmebedarfswerte für Gebäude in der Berliner Klimaregion.

(Die Daten stammen von nPro)

Heizgradtage

Eine andere Methode zur Schätzung des Heizbedarfs ist die Verwendung von Heizgradtagen (HDD). HDDs quantifizieren, wie viel (und wie lange) die Außenlufttemperatur unter einer bestimmten Basistemperatur liegt, die als Gleichgewichtspunkttemperatur bezeichnet wird und unter der das Gebäude beheizt werden muss. Die gesamte HDD ist die Summe der täglichen Temperaturunterschiede zwischen dieser Basistemperatur und der tatsächlichen Außentemperatur während einer Heizperiode.

Auf HDD basierende Methoden bieten im Vergleich zu FLH eine genauere Schätzung, da sie die Gebäudeeigenschaften (Isolierung, Sonneneinstrahlung usw.) und die klimatischen Bedingungen separat berücksichtigen.

!Hinweis
Der Ausgleichspunkt ist nicht einfach der Sollwert des Thermostats. In der EU wird er üblicherweise mit 15,5 °C angesetzt, wobei interne Gewinne, die Gebäudemasse und andere Faktoren berücksichtigt werden.

Energiebedarf für Kühlung

Die gleichen Grundsätze wie für die Heizung gelten auch für die Kühlung. Wenn keine detaillierten stündlichen Daten verfügbar sind, kann der Kühlbedarf entweder anhand von Volllaststunden (FLH) oder Faustregeln geschätzt werden.

Volllaststunden

Für das belgische Klima liegen die typischen Werte für FLH im Kühlbetrieb zwischen 500 und 1000 Stunden. Sobald die Spitzenkühlleistung bekannt oder geschätzt ist, kann der Energiebedarf wie folgt berechnet werden:

$1TP11Energie = Spitze \cdot FLH$$

Faustformel

Alternativ können Sie auch Richtwerte für den jährlichen Kühlbedarf pro Quadratmeter verwenden. Die folgende Tabelle enthält solche Werte.

(Die Daten stammen von der Wärmefahrplan Europa)

Abkühlungsgradtage

So wie die Heizgradtage (HDD) zur Schätzung des Heizbedarfs verwendet werden können, bieten die Kühlgradtage (CDD) eine Möglichkeit zur Schätzung des Kühlbedarfs. Die CDD werden auf der Grundlage der Differenz zwischen einer Bilanzpunkttemperatur (in der Regel 18 °C) und der tatsächlichen Außentemperatur berechnet, wenn letztere den Bilanzpunkt überschreitet.

Zwei empirische Formeln, die von der Europäischen Kommission entwickelt wurden (ENER/C1/2018-493, doi: 10.2833/158083).

Für die Raumkühlung im Wohnbereich:

$$FLH=96+0.85\cdot CDD$$

Für die Raumkühlung im tertiären Sektor:

$$FLH=475+0.49\cdot CDD$$

Energiebedarf für Warmwasser

Ein zunehmend wichtiger Parameter bei der Planung von Bohrlöchern ist der Bedarf an Warmwasser. In den meisten Wohngebäuden liegt ein typischer Wert bei etwa 1000 kWh/Person/Jahr. In Gebäuden wie Hotels und Krankenhäusern kann dieser Wert jedoch deutlich höher sein.

!Hinweis
Eine Herausforderung bei der Schätzung des Warmwasserbedarfs besteht darin, zu entscheiden, ob die aktuelle Anzahl der Bewohner oder die maximal mögliche Belegung zugrunde gelegt werden soll. Stellen Sie sich zum Beispiel ein Gebäude mit drei Zweibettzimmern vor, das derzeit nur von zwei älteren Bewohnern bewohnt wird. Sollten Sie das Bohrfeld auf der Grundlage von nur 2 Bewohnern (d. h. 2 MWh/Jahr) oder auf der Grundlage der vollen Kapazität von 6 Personen dimensionieren?

Wenn das geothermische Bohrfeld als langfristiger Vermögenswert dienen soll, sollte es in der Lage sein, das volle Potenzial des Gebäudes zu nutzen, nicht nur die aktuelle Nutzung. Daher empfehlen wir, den Warmwasserbedarf auf der Grundlage der maximal vertretbaren Anzahl von Bewohnern und nicht nur auf der Grundlage der aktuellen Belegung zu ermitteln. Dadurch wird sichergestellt, dass das System zukunftssicher und zweckmäßig bleibt, auch wenn sich die Belegung ändert.

Fazit

In diesem Artikel ging es um den Wärmebedarf von Gebäuden und wie er geschätzt werden kann. Es wurde unterschieden zwischen Gebäudebedarfsdaten mit stündlicher und monatlicher Auflösung - wobei erstere die genauesten Ergebnisse liefern, obwohl sie oft nicht verfügbar sind. Für die monatliche Auflösung wurden verschiedene Richtlinien und Faustregeln zur Schätzung des Energiebedarfs des Gebäudes für Heizung, Kühlung und Warmwasserbereitung vorgestellt.

Literaturverzeichnis

• Sehen Sie sich unsere Videoerklärung auf unserer YouTube-Seite an, indem Sie klicken hier.
• Die Emissionsleistung der verschiedenen Emissionssysteme wurde ermittelt hier.
• Die Lastprofile des nPro finden Sie unter hier.