Die thermische Gebäudesimulation ermittelt dynamisch in Stundenschritten über den Verlauf eines ganzen Jahres, wie lange und wie stark die empfundene Temperatur im Raum im Jahresverlauf eine bestimmte Bezugstemperatur überschreitet, und summiert diese Überschreitungen und deren jeweilige Dauer zur Kenngröße Übertemperaturgradstunden $G_t$ in $\mathrm{Kh/a}$ (Kelvin mal Stunden pro Jahr) auf.
Die Bezugstemperatur, die möglichst wenig überschritten werden soll, variiert je nach Sommerklimaregion in Deutschland (Bild 3). Der Standort des Beispielgebäudes fällt in die Sommerklimaregion B mit einem Bezugswert der operativen Innentemperatur von $26\,^{\circ}\mathrm{C}$. Gleichzeitig liegt damit das zu verwendende Wetter fest. Für Standorte in die Sommerklimaregion B ist das generell das Testreferenzjahr der TRY-Zone 4 (2011, Normaljahr).
Die so ermittelten Übertemperaturgradstunden werden mit den Anforderungswerten der DIN 4108-2 verglichen. Als absolute Mindestanforderung an den sommerlichen Wärmeschutz sind die Übertemperaturgradstunden auf höchstens $1.200\,\mathrm{Kh/a}$ für Wohngebäude und höchstens $500\,\mathrm{Kh/a}$ für Nichtwohngebäude zu begrenzen. Damit die Innenraumtemperaturen als überwiegend gut und angenehm empfunden werden, sollten die Übertemperaturgradstunden aber deutlich unter den höchstens zulässigen Grenzwerten bleiben.
Die Berechnung der operativen (= empfundenen) Innenraumtemperatur mittels dynamisch-thermischer Gebäudesimulation berücksichtigt dabei stündlich multiple Einflussfaktoren:
- Außenklima (u.a. Lufttemperatur, solare Zustrahlung, Bewölkung)
- Sonnenstand und Fassadenorientierung
- Sonnenschutzeinrichtungen
- Thermische Speichermassen
- Luftwechsel, erhöhte Tag- und Nachtlüftung
- Interne Wärmelasten und Personenbelegung
Die thermische Gebäudesimulation ermöglicht eine detaillierte und realitätsnahe Analyse des zeitlichen Verlaufs des thermischen Verhaltens des Gebäudes unter sommerlichen Bedingungen.
RandbedingungenDie Beispielberechnung wird für folgende Randbedingungen durchgeführt:
- Klimazone B
- Grundriss- und Raumabmessungen siehe Bild 5
- Die Gebäudegeometrie ist durch eine Geschosshöhe von $2{,}80\,\mathrm{m}$ charakterisiert, wobei sich nach Abzug der Deckenkonstruktion ($20\,\mathrm{cm}$ Betondecke, $4\,\mathrm{cm}$ Estrich, $6\,\mathrm{cm}$ Trittschalldämmung) eine lichte Raumhöhe von $2{,}50\,\mathrm{m}$ ergibt.
- Die Fenster mit Dreifachverglasung weisen einen Gesamtenergiedurchlassgrad von $g = 0{,}53$ auf.
- Als Sonnenschutzmaßnahme dient eine geregelte außenliegende Markise mit einem Abminderungsfaktor $F_C = 0{,}5$. Diese wird aktiviert, sobald eine Grenzbestrahlungsstärke von $250\,\mathrm{W/m^2}$ (Direkt- plus Diffusstrahlung) auf der jeweiligen Fassadenfläche überschritten wird.
- Die Einstufung der Bauart erfolgt mittels eines detaillierten Nachweises der wirksamen Wärmespeicherfähigkeit $C_{\mathrm{wirk}}$.
- Der Grundluftwechsel durch Fenster- und Türöffnungen und durch Leckagen beträgt ganztägig $0{,}5\,\mathrm{h^{-1}}$.
- Ein erhöhter Tagluftwechsel wird angesetzt, wenn die Raumlufttemperatur $23\,^{\circ}\mathrm{C}$ übersteigt und gleichzeitig über der Außenlufttemperatur liegt; in diesem Fall wird der Luftwechsel während der Aufenthaltszeit tagsüber (06:00 bis 23:00 Uhr) auf $n = 3\,\mathrm{h^{-1}}$ erhöht.
- Hinsichtlich der Nachtlüftung zwischen 23 Uhr und 6 Uhr werden zwei Szenarien betrachtet: „ohne Nachtlüftung“, d.h. nachts findet nur der vorgenannte Grundluftwechsel statt, und „erhöhte Nachtlüftung“. Bei letzterer wird der Nachtluftwechsel auf $n = 2\,\mathrm{h^{-1}}$ erhöht, solange die Außenluft kühler ist als die Raumluft.
- Weitere für die dynamisch-thermische Simulation relevante Parameter entsprechen den Vorgaben der DIN 4108-2:2025, Abschnitt 8.5.2 „Berechnungsrandbedingungen für thermische Gebäudesimulationsrechnungen“.
Tagesverlauf der InnenraumtemperaturDie thermische Gebäudesimulation liefert aufschlussreiche Erkenntnisse über das Verhalten verschiedener Bauartvarianten hinsichtlich des sommerlichen Wärmeschutzes. Bild 6 zeigt den Verlauf der Außenlufttemperatur sowie die Verläufe der empfundenen Innenraumtemperatur für die Varianten schwere – leichte Bauart für das betrachtete Wohnzimmer, ohne und mit erhöhter Nachtlüftung. Die Analyse konzentriert sich auf eine repräsentative sommerheiße Periode vom 14. bis 17. August, in der die höchsten Temperaturen des Jahres auftreten. Die Bezugstemperatur $26\,^{\circ}\mathrm{C}$ der Sommerklimaregion B ist durch eine schwarze Linie markiert.
Die Temperaturverläufe zeigen deutlich den positiven Einfluss hoher wirksamer Speichermassen auf die sommerliche Raumtemperatur. Der Vergleich der Temperaturverläufe offenbart signifikante Unterschiede zwischen den Bauartvarianten: Die massive Konstruktion führt dazu, dass die operative Raumtemperatur in der sommerlichen Hitzephase deutlich niedriger bleibt als bei leichter Bauart. Im Beispiel kann die Temperaturdifferenz zwischen der schweren und der leichten Bauart bis zu fast $8\,^{\circ}\mathrm{C}$ betragen. Der viel geringere Anstieg der Raumtemperatur während sommerlicher Hitzeperioden in schweren Gebäuden resultiert in einer erheblich verbesserten thermischen Behaglichkeit über einen längeren Zeitraum für die Nutzer. Der Verlauf der Kurven zeigt die temperaturabsenkende Wirkung der erhöhten Nachtlüftung, am deutlichsten erkennbar in der Nacht vom 15. auf den 16. August. Die erhöhte Nachtlüftung durch Kippen oder Öffnen der Fenster führt bei schwerer Bauart zu einer weniger stark ausgeprägten Absenkung der Raumtemperatur als bei leichter Bauart, aber auf insgesamt niedrigerem Temperaturniveau. Bei schwerer Bauart liegt die Raumtemperatur sogar ohne erhöhte Nachtlüftung unter der Raumtemperatur bei leichter Bauart mit erhöhter Nachtlüftung.
Massive Konstruktionen, die KS-Außenwände mit hoher Rohdichte, massive Geschossdecken und schwere Innenwände umfassen, weisen eine hohe wirksame Speichermasse auf. Gemäß DIN 4108-2 können solche Konstruktionen ohne detaillierte Berechnung der raumflächenbezogenen wirksamen Wärmespeicherkapazität ($C_{\mathrm{wirk}}/A_G$) als schwere Bauart klassifiziert werden.
Die Simulation unterstreicht somit die Bedeutung der Materialwahl und Konstruktionsweise für den sommerlichen Wärmeschutz. Massive Bauweisen mit hoher Speichermasse erweisen sich als besonders effektiv bei der Regulierung der Innenraumtemperaturen während Hitzeperioden, was zu einem deutlich verbesserten Raumklima führt.
ÜbertemperaturgradstundenDas Balkendiagramm in Bild 7 visualisiert die Übertemperaturgradstunden für die verschiedenen Bauarten und Lüftungsszenarien im untersuchten Wohnraum. Das Diagramm ermöglicht zwei wesentliche Erkenntnisse:
- die Bauart hat einen signifikanten Einfluss auf die auftretenden Übertemperaturgradstunden
- eine erhöhte Nachtlüftung führt zu einer erheblichen Reduzierung der Übertemperaturgradstunden
Die Ergebnisse unterstreichen den signifikanten Vorteil hoher Speichermassen. Es zeigt sich eine klare Korrelation: Je massiver die Konstruktion, desto geringer fallen die Übertemperaturgradstunden aus. Selbst wenn die Mindestanforderung der DIN 4108-2 an den sommerlichen Wärmeschutz in Wohngebäuden erst ab mehr als $1.200$ Übertemperaturgradstunden nicht mehr eingehalten ist, empfiehlt es sich unbedingt, möglichst deutlich unter diesem Grenzwert zu bleiben, damit die Raumtemperaturen im Sommer als behaglich empfunden werden und die Nutzerzufriedenheit hoch ist.
Insgesamt lässt sich festhalten:
- eine schwere Bauart in Kombination mit erhöhter Nachtlüftung schafft üblicherweise einen guten Abstand zum maximal zulässigen Grenzwert und bleibt sehr gut im behaglichen Temperaturbereich
- eine schwere Bauart in Kombination mit erhöhter Nachtlüftung überschreitet die Bezugstemperatur üblicherweise nicht oder nur minimal
- die Kombination aus massiver Bauweise und erhöhter Nachtlüftung ist eine äußerst effektive Strategie zur Vermeidung sommerlicher Überhitzung in Gebäuden
Diese Erkenntnisse sind von großer Bedeutung für die energieeffiziente und komfortable Gestaltung von Gebäuden in Zeiten zunehmender Hitzeperioden.