DE10019791A1

DE10019791A1 - Verfahren zur Gebäudeoptimierung

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Publication number: DE10019791A1
Application number: DE10019791A
Authority: DE
Inventors: Michael Kuepper
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2000-04-20
Filing date: 2000-04-20
Publication date: 2001-11-08

Abstract

Ein Verfahren zur Optimierung eines Gebäudes unter Berücksichtigung des Energiebedarfs weist die folgenden auf einem Computer ausführbaren Verfahrensschritte auf: DOLLAR A (a) Erstellung eines Computermodells des Gebäudes und Abspeicherung als Gebäudedatei in einer Datenbank, DOLLAR A (b) Abspeicherung eines Datensatzes (14) thermodynamischer und/oder bauphysikalischer Parameter des Gebäudes in der Gebäudedatei, DOLLAR A (c) Abspeicherung eines Datensatzes (13) physikalischer Parameter, die Anforderungen von Gebäudenutzern an das Gebäude repräsentieren, in der Gebäudedatei, DOLLAR A (d) Aufteilung des Gebäudemodells in funktionale Gebäudeelemente, DOLLAR A (e) Bestimmung einer Energiebilanz und/oder von Baunutzungskosten der funktionalen Gebäudeelemente unter der Verwendung von in den Verfahrensschritten (b) und (c) ermittelten Parametern, DOLLAR A (f) Bestimmung der Energiebilanz und Baunutzungskosten des Gebäudes für wählbare Zeiträume aus den im Verfahrensschritt (e) ermittelten Einzelwerten.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein auf einem Computer ausführbares Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Optimierung eines Gebäudes in der Planungsphase be züglich Energiebedarf, Investitions- und Baunutzungskosten zur Erreichnung fi nanzmathematischer Wirtschaftlichkeitskriterien.

Neben den Investitionskosten sind die laufenden Baunutzungskosten für Energie, Wartung, Unterhalt usw. ein wesentlicher Faktor, der über die Rentabilität eines Ge bäudes entscheidet. Dabei spielen sowohl externe Faktoren wie klimatische Ein flüsse als interne Faktoren wie insbesondere die Anforderungen der späteren Gebäudenutzer an Klima, Lichtverhältnisse, Feuchtigkeit, Hygiene usw. eine wich tige Rolle. Dabei muß auch berücksichtigt werden, ob das Gebäude als Wohnraum, Bürofläche oder für einen besonderen Zweck wie etwa ein Krankenhaus genutzt werden soll. Neben den Wünschen und Ansprüchen der Gebäudenutzer und den Rentabilitätserwartungen der Investoren sind zunehmend auch die Belange des Umweltschutzes und einer schonenden Ressourcennutzung mit zu berücksichtigen. Dies gilt insbesondere für den Energiebedarf des Gebäudes.

Während sich mit den bekannten Methoden die Investitionskosten eines Gebäudes noch einigermaßen zuverlässig kalkulieren lassen, sind für die Betriebskosten nur grobe Abschätzungen möglich. Zur Berechnung der laufenden Baunutzungskosten wird dabei bisher üblicherweise auf pauschalisierte Durchschnitts- oder Schätz werte zurückgegriffen, die eine objektspezifische Kostenermittlung nicht zulassen. Daher ist es sehr schwierig, beispielsweise die Rentabilität energiesparender funk tionaler Elemente wie etwa einer sogenannten "intelligenten" Fassade abzuschät zen. Die Rentabilität einer derartigen Investition kann nicht pauschal bestimmt wer den, sondern hängt von vielen Faktoren wie der Lage des Gebäudes bzw. der be treffenden Fassade, den klimatischen Verhältnissen, der Bauform und nicht zuletzt von der Nutzung des Gebäudes ab.

Neben den Energiekosten aktiver Klimatisierungsanlagen wie Heizung, Kühlung, Gebläse spielen auch die Wartungskosten derartiger zunehmend komplexer An lagen, die teueres Fachpersonal erfordern, eine zunehmende Rolle. Um eine kosteneffiziente Auslegung des Gebäudes zu ermöglichen, ist daher eine möglichst exakte Abschätzung der tatsächlich benötigten Leistungsfähigkeit derartiger aktiver Klimatisierungsanlagen vorteilhaft. Häufig ist es beispielsweise üblich, die Anlagen nach einem im ungünstigsten Fall auftretenden Maximalbedarf auszulegen. Dabei wird zur Berechnung einer maximal erforderlichen Kühlleistung beispielsweise der Erwärmungsbeitrag elektrischer Geräte nach deren Nennleistung auf dem Typen schild abgeschätzt, die oft um ein mehrfaches über der tatsächlich anfallenden Durchschnittsleistung liegt. Die Folge ist, dass aktive Klimatisierungsanlagen viel zu groß dimensioniert werden und damit unnötig hohe Investitions- und insbesondere Wartungs- und Instandhaltungskosten verursachen.

Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zur Gebäu deoptimierung in der Planungs- und Nutzungsphase vorzuschlagen. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, aufgrund der Energiebedarfs- und Energiekostenbestimmung eine Ermittlung der Wirtschaftlichkeit von Investionen in energiesparende Gebäudetechnologien zu ermöglichen.

Gelöst wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Bestimmung des Energiebedarfs eines Gebäudes, aufweisend die auf einem Computer ausführbaren Verfahrens schritte: Erstellung eines Computermodells des Gebäudes und Abspeicherung als Gebäudedatei in einer Datenbank, Abspeicherung eines Datensatzes thermodyna mischer und/oder bauphysikalischer Parameter des Gebäudes in der Gebäudeda tei, Abspeicherung eines Datensatzes physikalischer Parameter, die Anforderungen von Gebäudenutzern an das Gebäude repräsentieren, in der Gebäudedatei, Auf teilung des Gebäudemodells in funktionale Gebäudeelemente, Bestimmung einer Energiebilanz und/oder von Baunutzungskosten der funktionalen Gebäudeelemente unter der Verwendung von in den vorangehenden Verfahrens schritten ermittelten Parametern, Die Erfindung schlägt ferner eine Vorrichtung zur Optimierung eines Gebäudes vor, aufweisend: eine Eingabeeinrichtung zur Eingabe eines Datensatzes externen physikalischer Parameter des Gebäudes sowie eines Datensatzes physikalischer Parameter, die Anforderungen von Gebäudenutzern repräsentieren, eine Verarbeitungseinrichtung zur interaktiven Erstellung eines Gebäudemodells unter Berücksichtigung der Anforderungen der Gebäudenutzer, eine Prozessor einrichtung zur Aufteilung des Gebäudemodells in funktionale Gebäudeelemente zur Ermittlung von Engergiebilanzen und/oder Baunutzungskosten der funktionalen Gebäudeelemente und zur Bestimmung der Gesamt-Energiebilanz und/oder der Gesamt-Baunutzungskosten des Gebäudes aus den Einzelwerten der funktionalen Gebäudeelemente, eine Speichereinrichtung zur Speicherung einer Gebäude datei, die die externen Parameter, Nutzen-Anforderungen, Gebäudemodell-Daten und Gebäudeelement-Daten enthält.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung ermög licht es dem Planer, schon in der Projektierungsphase eines Gebäudes zuverläs sige Angaben über Energiebedarf und Benutzungskosten des Gebäudes und ein zelner Elemente davon zu erhalten. Insbesondere kann so die Dimensionierung und Auslegung der technischen Gebäudeausrüstung mit höherer Zielgenauigkeit vorgenommen werden, wodurch kostenaufwendige Fehldimensionierungen ver mieden werden können. Unter Klimatisierung werden im Zusammenhang dieser Anmeldung sämtliche Faktoren des Raumklimas verstanden, insbesondere Tem peratur und Feuchtigkeit der Raumluft. Die Erfindung erlaubt im Gegensatz zu be kannten pauschalierten Verfahren eine objektbezogene Optimierung der Gebäude planung und -konstruktion unter Einzbeziehung aller relevanten Faktoren.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist es möglich, die Gesamtnutzungskosten in aufeinanderfolgenden Optimierungsschritten unter Ver wendung verfeinerter funktionaler Gebäudeelemente zu ermitteln.

Der Datensatz physikalischer Parameter, die externe Klimadaten repräsentieren, können dabei insbesondere den geographischen Ort des Gebäudes, seine Aus-

Der Datensatz physikalischer Parameter, die externe Klimadaten repräsentieren, können dabei insbesondere den geographischen Ort des Gebäudes, seine Aus richtung, die vorherrschende Windrichtung und die mittlere Sonneneinstrahlung umfassen. Die physikalischen Parameter, die die Raumklima-Anforderungen reprä sentieren, können insbesondere die Raumlufttemperatur, Raumluftfeuchtigkeit und Raumluftgeschwindigkeit umfassen. Bei den funktionalen Gebäudeelementen kann es sich dabei um Gebäudeteile, Kühlflächen, Fassaden, Wärmepuffer, aktive und passive Heiz-, Kühl-, Befeuchtungs- und Entfeuchtungseinrichtungen handeln.

Vorzugsweise können bei dem erfindungsgemäßen Gebäude-Optimierungsverfah ren die Baunutzungskosten und der Energiebedarf verschiedenen Varianten des Gebäudes ermittelt und miteinander verglichen werden.

Weitere Aspekte der Erfindung betreffen ein Computerprogramm gemäß Anspruch 14 und eine Datenstruktur gemäß Anspruch 15.

Die vorliegende Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbei spiele unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung bechrieben, in der:

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Gebäudedatei gemäß der Erfindung ist;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer Hardwarekonfiguration ist, auf welcher das erfindungsgemäße Verfahren anwendbar ist;

Fig. 3 ein Flußdiagramm ist, das Verfahrensschritte eines ersten Ausführungs beispiels der Erfindung zeigt; und

Fig. 4 ein Flußdiagramm ist, das Verfahrensschritte eines zweiten Ausführungs beispiels der vorliegenden Erfindung zeigt.

Fig. 5a) die Planungsphase eines Gebäudes gemäß dem Stand der Technik zeigt

Fig. 5b) die Planungsphase eines Gebäudes unter Verwendung des erfindungsge mäßen Verfahren zeigt; und

Fig. 6) graphische Darstellungen zur Erläuterung einer Kostenermittlung gemäß der Erfindung zeigen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele im De tail erläutert. Fig. 3 zeigt schematisch die Verfahrensschritte eines ersten Aus führungsbeispiels der Erfindung. In Verfahrensschritt S1 werden vorher ermittelte externe Klimadaten des Gebäudes eingegeben. Bei den externen Klimadaten han delt es sich um statistische klimatische Daten wie geographische Breite, Sonnen scheindauer, Windstärke und -richtung, Niederschlagsdaten sowie um gebäude spezifische Daten wie die Ausrichtung des Gebäudes selbst. Im anschließenden Verfahrensschritt S2 werden Nutzeranforderungen der späteren Gebäudenutzer eingegeben und dabei handelt es sich um Anforderungen an die höchste oder nied rigste tolerierbare Temperatur, maximale bzw. minimale Feuchtigkeiten, höchst zu lässige Luftzuggeschwindigkeiten und besondere hygienische Anforderungen, bei spielsweise beim Bau von Spezialgebäuden wie einem Krankenhaus. Die jewei ligen Datensätze werden mittels einer Eingabeeinheit 52 wie der Tastatur oder Maus eines herkömmlichen Computersystems, wie dieses beispielsweise in Fig. 2 dargestellt ist, eingegeben. Neben der Eingabeeinheit 52 weist dieses eine Zentral einheit 50, die eine CPU oder dergleichen umfaßt, eine oder mehrere Speicher einrichtungen 51 sowie eine Bildschirmeinheit 53 auf. Weiterhin können andere Pe ripheriegeräte wie etwa ein Drucker (nicht dargestellt) vorgesehen sein.

Mittels des Computers wird dann in Verfahrensschritt S4 ein Modell des Gebäudes erstellt. Bei dem Gebäudemodell handelt es sich nicht um eine ästethische Dar stellung desselben, sondern um eine Datenbank, die alle für den Energiebedarf des Gebäudes und zur Ermittlung der Betriebskosten wesentlichen Daten enthält. Diese Gebäudedatei 100 ist schematisch in Fig. 1 dargestellt. Mit 10 sind die Gebäu dedaten bzw. das Gebäudemodell, mit 11 Gebäudeeinheiten zur Berechnung von Baukosten, mit 12 funktionale Gebäudeelemente, die später im Detail erläutert werden, mit 13 die in Schritt S2 angegebenen Benutzeranforderungsdaten und mit 14 die in Schritt S1 angegebenen externen Klimadaten bezeichnet.

Im folgenden Schritt S4 wird das Gebäudemodell 10 in funktionale Elemente 11 aufgeteilt, die, wie in Fig. 1 schematisch dargestellt ist, separat in der Gebäude datei 100 abgelegt werden. Bei den funktionalen Elementen handelt es sich um Gebäudeelemente, die die Energiebilanz des Gebäudes beeinflussen, beispiels weise Fassaden bzw. Fensterflächen, Wärmespeicher sowie aktive Anlagen zur Klimatisierung wie Heizung, Kühlung, Lüftung.

Anschließend werden dann in Verfahrensschritt S5 die Energiebilanzen der jewei ligen funktionalen Elemente unter Verwendung der externen Klimadaten ermittelt. Außerdem werden die Nutzeranforderungen dadurch berücksichtigt, dass die vom Benutzer akzeptablen Grenzwerte der Raumklimawerte zur Auslegung der aktiven Klimatisierungssysteme (Heizung, Kühlung) herangezogen werden. Nach Berech nung der Energiebilanz der einzelnen funktionalen Elemente kann unter Berück sichtigung der Energiekosten jeweiliger Energieträger dann in Schritt S6 der Ener giekostenbeitrag der einzelnen funktionalen Elemente ermittelt werden. In Schritt S 7 werden dann weitere Betriebskosten wie insbesondere die Wartung von Klimati sierungsanlagen ermittelt.

In Verfahrensschritt S9 schließlich werden die Betriebskosten des gesamten Ge bäudes aus den ermittelten Einzel-Betriebskosten der das Gebäude bildenden funktionalen Elemente ermittelt. Die Betriebskosten können dann für einen beliebig gewählten Zeitraum, beispielsweise ein Jahr, fünf Jahre oder 10 Jahre auch unter Berücksichtigung von Preissteigerungsraten für Energie- und Betriebskosten er mittelt werden. In Verfahrensschritt S10 werden schließlich die ermittelten Resul tate - Energiebedarf und Betriebskosten - über geeignete Ausgabemedien wie einen Bildschirm, Drucker usw. ausgegeben. Dazu kann eine graphische Darstel lung in Form von Tabellen, Diagrammen usw. gewählt werden. Anhand von an sich bekannten finanzmathematischen Methoden (Sensitivitätsanalyse, risikoangepaßte Kapitalkosten, Kapitalwert, modifiziert-interne Zinsfußmethode, Tilgungspläne, Kapitalwertmethode, Annuitätenmethode, Amortisationsrechnung) wird die Gesamt wirtschaftlichkeit aller Zahlungen (Investition und Nutzung) beurteilt.

Die Verfahrensschritte S4 bis S9 können zu einem späteren Zeitpunkt unter Ver wendung feinerer funktionaler Elemente zur Erzielung einer weiteren Gebäudeop timierung wiederholt durchgeführt werden.

Fig. 4 ist ein Flußdiagramm, das die Verfahrensschritte einer Variante des erfin dungsgemäßen Verfahrens zeigt. In Schritt S21 werden die Gebäude-Betriebs kosten eines Gebäudes entsprechend den oben erläuterten Verfahrensschritten S1 bis S9 bestimmt. Im anschließenden Schritt S22 werden dann die Baukosten des Gebäudes bestimmt, vorzugsweise unter Verwendung von Baukosten-Berech nungcodes 11 (Fig. 1) nach DIN 276. Im dann folgenden Verfahrensschritt S23 wird durch den Benutzer eine Modifikation des projektierten Gebäudes eingegeben. Bei der Meßstation kann es sich um eine andersartige Heizungsanlage, Klimati sierung oder auch um passive Elemente wie etwa eine sogenannte "intelligente" Fassade handeln, die die Energiebilanz des Gebäudes beeinflußt. Entsprechend den Modifikationen des Bauprojekts wird das Gebäudemodell 10 der Gebäudedatei 100 geändert. In vielen Fällen handelt es sich bei einer solchen Variation um den Austausch eines oder mehrerer funktionaler Elemente durch andere, etwa energiesparendere oder ressourcenschonendere funktionale Elemente. Unter Be nutzung dieser Daten können dann in Schritt S25 auf gleiche Art und Weise wie in Fig. 3 dargestellt die Baukosten bzw. Benutzungskosten des modifizierten Ge bäudes bestimmt werden. In Verfahrensschritt S26 werden diese modifizierten Kosten mit den ursprünglichen Kosten verglichen und anhand der Resultate in Schritt S27 ein Amortisationszeitraum der Energiespargebäudemodifikation er mittelt. Die Resultate werden dann in Schritt S28 auf geeignete Art und Weise ausgegeben und vorzugsweise in einer geeigneten Speichereinrichtung abgespei chert.

Auf diese Art und Weise lassen sich die Auswirkungen einer energiesparenden Baumaßnahme und deren Investitions- und Betriebskosten auf einfache Art und Weise ermitteln. Dadurch läßt sich schnell feststellen, ob die geplante Baumaß nahme auch ökonomisch realisierbar und sinnvoll ist.

Ein Vergleich der Gebäudeoptimierung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren mit der herkömmlichen Bauplanung ist schematisch in Fig. 5 dargestellt. Auf der linken Seite zeigt Fig. 5a) die einzelnen Schritte einer herkömmlichen Bauplanung, denen in Fig. 5b) auf der rechten Seite die entsprechenden Schritte des erfin dungsgemäßen Verfahrens gegenüberstehen. Die Bauplanung beginnt bei dem herkömmlichen Planungsverfahren mit der Funktions- und Bedarfsplanung, d. h. es wird ermittelt, welche Funktion das Gebäude zu erfüllen hat, welche Anforderungen die Nutzer stellen usw. Erfindungsgemäß werden entsprechend den in Fig. 3 illu strierten Verfahrensschritten S1 und S2 die externen Klimadaten und die Nutzer anforderungen (Nutzerprofil) eingegeben.

Den Planungsschritten Vorentwurf und Kostenschätzung entsprechen erfindungs gemäß die Verfahrensschritte S3 bis S8 aus Fig. 3. Aufgrund eines groben Com putermodells des Gebäudes werden funktionale Elemente gebildet und die ent sprechenden Energie- und sonstigen Baunutzungskosten ermittelt.

Dem nächsten Planungsschritt - Entwurf und Kostenberechnung - entspricht erfin dungsgemäß eine Verfeinerung des Computermodells des Gebäudes und eine er neute, genauere Kostenberechnung entsprechend den Verfahrensschritten S3 bis S8 aus Fig. 3. Darüberhinaus können Planungsalternativen entsprechend den Verfahrensschritten S21-S25 aus Fig. 4 berücksichtigt werden.

Der Ausführungsplanung bei der herkömmlichen Bauplanung entspricht erfin dungsgemäß die Ermittlung der Baunutzungs- und Investitionskosten unter Berück sichtigung der Bauleistungscodes.

Während der Bauausführung und schrittweisen Abrechnung der Bauleistungen kann erfindungsgemäß die Gebäudedatenbank aufgrund der tatsächlichen Investitionskosten weiter aktualisiert werden, wodurch die Planungssicherheit für den Bauherren bzw. Investor weiter vergrößert wird.

Im letzten Schritt, der Baunutzung, kann erfindungsgemäß die Gebäudedatenbank anhand der tatsächlichen Baunutzungskosten aktualisiert werden. So kann man die Baunnutzungskosten ständig im Auge behalten und sich vor unangenehmen Über raschungen schützen.

Die Berechnung der Energiebilanz eines Gebäudes wird im folgenden anhand eines schematischen, stark vereinfachten Beispiels erläutert. Zunächst wird das Gebäude in einzelne Nutzungsabschnitte mit ihren jeweiligen Fassadenorientierun gen aufgeteilt, beispielsweise die Etagen 0 bis 4 mit den Fassadenorientierungen Nord-West, Süd-West, Nord-Ost, Süd-Ost. Für alle diese Nutzungsbereiche wird das zu klimatisierende Luftvolumen berechnet, außerdem der Wärmedurchgangs koeffizient für die verglaste und unverglaste Fassade, die von der Orientierung ab hängigen Strahlungswärmegewinne für Beispielmonate im Sommer und im Winter sowie interne Wärmequellen wie Personen oder technische Geräte (Computer).

Anschließend werden für die einzelnen Nutzungsbereiche die Nutzeranforderungen an Maximaltemperatur, Minimaltemperatur, Maximalfeuchte, Minimalfeuchte und maximale Luftströmung eingegeben.

Die Energiebilanz eines Raumes in Südost-Ausrichtung, der an einem Julitag mit 30° Außentemperatur auf maximal 26° Raumtemperatur gehalten werden soll, be rechnet sich vereinfacht wie folgt:

1. Innere Kühllast a) Transmissionswärme

Die Transmissionswärme Q_R ist der Wärmeaustausch eines an der Außen seite des Gebäudes liegenden Raumes mit dem Gebäudeinnern und berech net sich nach der Formel:

Q_R = k × A × δT,

wobei k der Wärmeübergangskoeffizient (k-Wert), A die Grenzfläche zum Ge bäudeinnern und δT die Temperaturdifferenz ist. Bei bei dem hier ange nommenen Beispiel δT = 2 K, k = 0,9 und A = 100 m², so errechnet sich eine Transmissionswärme Q_R = -180 W.

b) Personenwärme

Die Personenwärme ergibt sich aus der Personenzahl multipliziert mit einer mittleren Wärmeabgabe von 90 W. Bei einer durchschnittlichen Belegung mit drei Personen ergibt sich daher eine mittlere Personenwärme von 270 W.

c) Beleuchtungswärme

Die Beleuchtungswärme läßt sich recht gut mit der Summe der Nennleistun gen der verwendeten Beleuchtungskörper abschätzen. Werden in dem Bei spielraum fünf Beleuchtungskörper à 100 W verwendet, so ergibt sich eine Beleuchtungswärme von 500 W.

d) Maschinenwärme

Die Summe der von den in einem Raum stehenden Geräten abgegebenen Wärme ergibt sich aus der mittleren Wärmeabgabe multipliziert mit dem mitt leren Einschaltfaktor. Sind in dem Raum beispielsweise zwei Computer mit einer Wärmeabgabe von 100 W zu 75% eingeschaltet, so ergibt sich eine Ma schinenwärme von 150 W.

2. Äußere Kühllast a) Wandwärme und Dachwärme

Dieser Wärmeaustausch durch die Gebäudehülle mit der Umgebung berech net sich zu:

Q_W = k × A × δT_H,

wobei k der Wärmetransmissionskoeffizient der Außenwand bzw., wenn es sich um das oberste Stockwerk handelt, auch des Daches, A die Wand bzw. Dachfläche und δT_H die Temperaturdifferenz zwischen Innenraum und Außenluft ist. In dem angegebenen Beispiel beträgt die Temperaturdifferenz + 4 K, die Wandfläche sei 140 m², die Dachfläche 0 und der k-Wert der Wand 0,5, so ergibt sich eine Wandwärme Q_W = 280 W.

(b) Fensterwärme-Transmission

Die Transmissions-Fensterwärme Q_T berechnet sich nach der folgenden For mel:

Q_T = k_F × A_F × T_F,

d. h. der k-Wert des Fensters K_F × Fensterfläche A_F × Temperaturdifferenz am Fenster T_F. Bei einer Fensterfläche von 20 m², einer Temperaturdifferenz von 10 K und einem k-Wert von 1,7 ergibt sich Q_T = 340 W.

c) Fensterwärme - Strahlung

Die durch Sonneneinstrahlung durch das Fenster bewirkte Aufheizung des Raumes hängt natürlich vom Sonnenstand und der Tageszeit ab. Ein weiterer wesentlicher Einflußfaktor ist eine mögliche Beschichtung des Fensterglases, die bestimmte Frequenzen (Infrarot) des Sonnenlichts reflektiert. In dem hier gezeigten Beispiel werde als grober Schätzwert eine Sonneneinstrahlung von 100 W je m² Fensterfläche angenommen, so dass sich bei einer Fensterflä che von 10 m² eine Strahlungs-Fensterwärme von 1000 W ergibt.

Die gesamte Kühllast beträgt somit 2360 W. Dabei ist jedoch noch zu berücksichti gen, dass bei starker Sonneneinstrahlung die Beleuchtungswärme geringer anzu setzen ist. Diese Kühllast muß durch aktive Klimatisierungsanlagen aufgebracht werden. Entsprechend werden die Energiebilanzen für die anderen Räume des Gebäudes erstellt, worauf hin die aktiven Klimatisierungsanlagen (Lufterhitzer, Luftkühler, Ventilatoren) bestimmt werden können. Mit Hilfe der Erfindung ist es für einen Projektentwickler daher möglich, die Einflüsse einzelner baulicher Verände rungen, beispielsweise einer anderen Fassadenfläche, Wärmeschutzverglasung oder auch einer anderen Nutzung der Gebäude (wärmeempfindliche Nutzungen in nach Norden ausgerichteten Gebäudeteilen) auf das Gesamtsystem zu ermitteln und so die Wirtschaftlichkeit baulicher Änderungen abzuschätzen.

Neben der Berechnung der Energiebilanz ist zur Optimierung der Gebäudeplanung eine Kostenermittlung unter Berücksichtigung von Kapitalkosten und zukünftigen Betriebskostensteigerungen erforderlich. Ein vereinfachtes qualitatives Beispiel zur Berechnung der Gesamtkosten eines Gebäudes unter Berücksichtigung der Kapi talkosten (Zinsen) ist im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 6 angegeben. In Fig. 6 stellt die gestrichelte Linie die Investitionkosten (Baukosten), die punktierte Linie die Baunutzungskosten (Betriebskosten) und die durchgezogenen Linie die Gesamtkosten als Summe beider Kosten im zeitlichen Verlauf dar. Dabei ist ein bestimmter Zinssatz - beispielsweise 6% - für das gebundene bzw. eingesetzte Ka pital mit berücksichtigt. Fig. 6a zeigt eine Beispielssituation eines Gebäudes mit 4 Mio Euro Baukosten und vergleichsweise hohen Baunutzungskosten. Nach acht Jahren übersteigt der Barwert der kummulierten Baunutzungskosten die Investi tionskosten. Nach 10 Jahen Gebäudenutzung werden Gesamtkosten von über 14 Mio Euro erreicht.

Fig. 6b zeigt eine Beispielssituation, bei der eine energie- und nutzungskostenspa rende Investition in Höhe von ungefähr Euro 500.000 berücksichtigt ist. Die Geerreicht werden. Gegenüber dem Beispiel von Fig. 6a ergibt sich somit eine Einspa rung von über 2 Mio Euro. Durch die vorliegende Erfindung wird es möglich, solche langfristigen Kosteneinsparungen schon in der Planungsphase zu erkennen, um sie dann im tatsächlichen Gebäude umzusetzen.

Eine wesentliche Steuerungsgröße für eine energie- oder nutzungskostensparende Investition ist dabei der Amortisationszeitpunkt T_A, d. h. der Zeitpunkt, ab dem das für die Investition eingesetzte Kapital beginnt wieder zurückzufließen. Der Amorti sationszeitpunkt berechnet sich wie folgt:

wobei
A₀ Auszahlungen zum Zeitpunkt t₀ (Investitionen)
E Einsparungen
A_V1, A_E1, A_K1, A_S1 laufende Auszahlungen (Baunutzungskosten),
r der Preissteigerungsfaktor, und
q der Zinsfaktor
sind.

Die hier beschriebene Erfindung ist nicht auf bestimmte Verfahren der Energie- oder Kostenberechnung beschränkt. Der Hauptnutzen der Erfindung liegt der Be stimmung der raumklimatischen, energetischen und finanziellen Auswirkungen ein zelner baulicher Maßnahmen auf das Gesamtsystem des Gebäudes, wobei im Ge gensatz zu bisher üblichen Verfahren objektbezogene und objektspezifische Daten und Parameter berücksichtigt werden können.

Claims

1. Verfahren zur Optimierung eines Gebäudes unter Berücksichtigung des Ener giebedarfs, aufweisend die auf einem Computer ausführbaren Verfahrens schritte:

a) Erstellung eines Computermodells des Gebäudes und Abspeiche rung als Gebäudedatei in einer Datenbank,
b) Abspeicherung eines Datensatzes (14) thermodynamischer und/oder bauphysikalischer Parameter des Gebäudes in der Gebäudedatei,
c) Abspeicherung eines Datensatzes (13) physikalischer Parameter, die Anforderungen von Gebäudenutzern an das Gebäude repräsentieren, in der Gebäudedatei,
d) Aufteilung des Gebäudemodells in funktionale Gebäudeelemente,
e) Bestimmung einer Energiebilanz und/oder von Baunutzungskosten der funktionalen Gebäudeelemente unter der Verwendung von in den Verfahrensschritten (b) und (c) ermittelten Parametern,
f) Bestimmung der Energiebilanz und Baunutzungskosten des Gebäudes für wählbare Zeiträume aus den im Verfahrensschritt (e) ermittelten Einzelwerten.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei in aufeinanderfolgenden Optimierungs schritten verfeinerte funktionale Gebäudeelemente verwendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die thermodynamischen und/oder bauphysikalischen Parameter Klimadaten wie den geographischen Ort des Gebäudes, seine Ausrichtung, die Windrichtung und mittlere Sonneneinstrahlung umfassen.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die physikalischen Para meter, die die Nutzer-Anforderungen repräsentieren, die Raumlufttemperatur, Raumluftfeuchte und Raumluftgeschwindigkeit umfassen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die funktionalen Gebäu deelemente Fassaden, Wärmepuffer, aktive und passive Heiz-, Kühl-, Be feuchtungs- und Entfeuchtungseinrichtungen umfassen.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, zusätzlich umfassend die Bestimmung der Baukosten (Investitionskosten) des Gebäudes.

7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei zur Optimierung des Gebäudes mehrere Varianten des Gebäudemodells gebildet und deren Gesamtkosten miteinan der verglichen werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei ein Amortisationszeitraum von Investitio nen in Energie minimierende Gebäudevarianten ermittelt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei Preissteigerungen und Kapital kosten mit berücksichtigt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 7-9, wobei zur Bestimmung der Bau kosten Bauleistungscodes nach DIN 276 verwendet werden, die als dreistel lige Ziffer codiert werden.

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10, wobei die akkumulierten Be triebskosten in jährlichen Zeitintervallen berechnet werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-11, wobei zur Baunutzungs kostenberechnung und/oder Investitionskostenberechnung finanzmathemati sche Methoden verwendet werden.

13. Vorrichtung zur Optimierung eines Gebäudes unter Berücksichtigung des Energiebedarfs aufweisend:
eine Eingabeeinrichtung (52) zur Eingabe eines Datensatzes (14) externer physikalischer Parameter des Gebäudes sowie eines Datensatzes (13) physikalischer Parameter, die Anforderungen von Gebäudenutzern repräsentieren,
eine Verarbeitungseinrichtung zur interaktiven Erstellung eines Gebäudemo dells (10) unter Berücksichtigung der Anforderungen der Gebäudenutzer,
eine Prozessoreinrichtung (50) zur Aufteilung des Gebäudemodells (10) in funktionale Gebäudeelemente zur Ermittlung von Engergiebilanzen und/oder Baunutzungskosten der funktionalen Gebäudeelemente und zur Bestimmung der Gesamt-Energiebilanz und/oder der Gesamt-Baunutzungskosten des Ge bäudes aus den Einzelwerten der funktionalen Gebäudeelemente,
eine Speichereinrichtung (51) zur Speicherung einer Gebäudedatei (100), die die externen Parameter, Nutzer-Anforderungen, Gebäudemodell-Daten und Gebäudeelement-Daten enthält.

14. Computerprogramm aufweisend Programmcode zur Ausführung des Verfah rens nach einem der Ansprüche 1 bis 12 auf einem Computer.

15. Computerlesbare Datenstruktur zur Optimierung eines Gebäudes, aufwei send:

a) ein Computermodell des zu optimierenden Gebäudes,
b) eine Zerlegung des Computermodells in funktionale Gebäudeelemente,
c) einen Datensatz thermodynamischer und bauphysikalischer Parameter des Gebäudes,
d) einen Datensatz-Nutzer-Anforderungen an das Gebäude,
e) den funktionalen Gebäudeelementen zugeordnete Energiebilanzdaten und/oder Baunutzungskostendaten, und
f) dem Gebäudemodell zugeordnete Energiebilanz- und/oder Bau nutzungskostendaten, die aus den Daten e) ermittelt worden sind.