Realitätscheck für die Gebäudesimulation

Bevor jedoch mit den Messungen zur Validierung der elf teilnehmenden Simulationsprogramme begonnen werden konnte, mussten Matthias Kersken und seine Kollegen viel Vorarbeit leisten: beide Zwillingshäuser mussten mit all ihren Spezifikationen genau dokumentiert werden: Standort, Gebäudegeometrie, optische und energetische Verglasungs- und Rahmendaten, Bauteilaufbauten, Eigenschaften der Rollläden, Lüftungs- und Heizkonzept, Bestimmung der Luftdichtheit, Bodenreflexionsgrad sowie Fotos der Häuser von innen und außen. »Der Dokumentationsaufwand beinhaltete zum Beispiel auch, dass wir jede einzelne Wärmebrücke genau berechnen mussten«, schildert der Wissenschaftler. »Zusätzlich mussten wir selbstverständlich jeden eingesetzten Messsensor genau überprüfen und kalibrieren, damit die gesammelten Daten nicht durch fehlerhafte Messungen verfälscht werden.« Alles in allem dauerte die Vorbereitungszeit etwa zwei Monate, bevor die eigentlichen Messungen im Sommer 2013 starten konnten. In den insgesamt vier Messphasen sowie einer vorangegangenen Initialisierungsphase haben die IBP-Forscher unterschiedliche Szenarien in den Zwillingshäusern gefahren: »Die Teilmodelle der Gebäudesimulationsprogramme, die in der Validierung überprüft werden, beziehen sich im Wesentlichen auf die thermische Speicherung, die Wärmeleitung durch Bauteile und Materialien, die Interaktion zwischen einzelnen Räumen, Lüftung und Infiltration, die solaren Wärmegewinne, die Verschattung, die Heizung und die Berechnung klimatischer Randbedingungen, wie die Solarstrahlungsverteilung auf geneigte Flächen und die langwellige Himmelstemperatur«, erläutert Kersken. »Das haben wir dementsprechend untersucht.« Dazu haben die Sensoren im Sekundentakt Daten gesammelt, die in der am Fraunhofer IBP entwickelten Datenbank IMEDAS gespeichert wurden. Gleichzeitig lieferte auch die institutseigene Wetterstation regelmäßig Daten, die ebenfalls in IMEDAS abgelegt wurden.

Nach Abschluss der Messungen haben die IBP-Wissenschaftler den 21 teilnehmenden Validierungsteams aus 13 Organisationen allerdings noch nicht sofort alle Daten zur Verfügung gestellt. »Zunächst ist eine so genannte blinde Validierung durchgeführt worden, in der die Teams nur einen Teil der Informationen bekommen haben«, so Kersken. Auf Grundlage aller zuvor gesammelten Kennwerte der Zwillingshäuser sowie den gemessenen Klimadaten und den experimentellen Spezifikationen sollten die Teams mit ihren Simulationsprogrammen die stündlichen Vorhersagewerte des Heizwärmebedarfs und der Raumlufttemperaturen berechnen. Im Anschluss erhielten die Validierungsteams ebenfalls die vollständigen Messdaten zum Abgleich mit ihren Rechenergebnissen der blinden Validierung, um eventuelle Nutzerfehler auszubessern. »Auf diese Weise lassen sich Nutzer- bzw. Eingabefehlern von programmbasierten Modellabweichungen und Messunsicherheiten trennen«, erklärt Kersken.

Nachdem alle Nutzerfehler annulliert wurden, können nun die so verbleibenden Abweichungen bezüglich der Heizenergie- und Temperaturverläufe den Algorithmen und den Modellannahmen der Simulationsprogramme zugeordnet werden. »Auf diese Weise können wir nach Abschluss der Abgleichsphase Aussagen über die Zuverlässigkeit der untersuchten dynamischen thermisch-energetischen Gebäudesimulationsprogramme treffen«, erläutert Kersken abschließend. 

»In einem nächsten Schritt«, sagt Matthias Kersken, »wäre es sicherlich sinnvoll derartige Datensätze auch in einer Untersuchung mit echten Gebäudenutzern zu generieren. Das ist natürlich noch aufwendiger, doch es macht die Programme letztendlich noch präziser und die Vorhersage der Energieeinsparung damit noch realitätsnäher.«
(ate)

 

Weiterführende Informationen
Erstellung eines neuen messdatengestützte Validierungsszenarios für Gebäudesimulationssprogramme