Dokumentation der verschiedenen Oberflächen
1. Einführung
Oberflächen dienen der Beschreibung von Strömen über den Rand der Konstruktion. Sie fassen dabei Randbedingungen, Geometrieeigenschaften und Klimadaten zusammen. Es gibt zwei Hauptarten von Oberflächen:
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vereinfacht
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detailliert
Bei den vereinfachten Oberflächen werden alle Eigenschaften in einem Dialog beschrieben. Das vereinfacht die Handhabung, schränkt aber dafür den Funktionsumfang ein. Bei den detaillierten Oberflächen fungiert die Oberfläche selbst als Container für verschiedene Randbedingungen. Die eigentliche Konfiguration findet dann dort statt. Hier können dann alle in DELPHIN verfügbaren Randbedingungsmodelle genutzt werden. Weiterhin erlaubt diese Variante auch die Verwendung eigener Klimadaten parallel zu den Standortdaten. Hier soll jetzt nur auf das vereinfachte Modell eingegangen werden. Dabei gibt es 3 Arten:
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Rand nach Innen
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Rand nach Außen
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Rand zum Erdreich
2. Oberflächen für Innenklima
2.1. Einführung
Ein Raumklimamodell beschreibt das mathematische und physikalische Verhalten des Klimas innerhalb eines Raumes oder auch eines gesamten Gebäudes. Es dient dazu, das thermische und hygrothermische Verhalten der Raumluft sowie umschließender Bauteile rechnerisch zu simulieren. Das jeweilige Modell wird von der Nutzung des Raumes und den damit verbundenen zu erwartenden relativen Feuchtigkeiten im Raum sowie den vorhandenen haustechnischen Anlagen stark beeinflusst. Die Raumklimamodelle variieren je nach Standort sowie geltender Normen und Richtlinien.
In den bisherigen DELPHIN-Versionen wurde zwischen folgenden Raumklimamodellen unterschieden:
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DIN 4108-3 (2001) : Wärmestrom abwärts gerichtet
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DIN 4108-3 (2001) : Wärmestrom horizontal und aufwärts gerichtet
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DIN 4108-3 (2014)
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DIN EN 15026/ WTA 6.2: Adaptives Innenraumklima
Letzteres wird zusätzlich in weitere Unterkategorien unterteilt, die sich hinsichtlich der jeweiligen Feuchteklasse unterscheiden:
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Raumklimamodell für niedrige innere Feuchtelasten
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Raumklimamodell für normale innere Feuchtelasten
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Raumklimamodell für erhöhte innere Feuchtelasten (+5%)
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Raumklimamodell für hohe innere Feuchtlasten
Die Eingabe in Delphin erfolgte dabei über folgenden Dialog:
Neu hinzugekommen sind in der DELPHIN Version 6.1.8 die Raumklimamodelle nach der ASHRAE 160, das aktuelle Raumklimamodell des WTA-Merkblattes 6.2 (2025) sowie ein benutzerdefiniertes Innenklima.
Im Folgenden werden die einzelnen Raumklimamodelle genauer erläutert.
2.2. Raumklimamodell nach DIN 4108-3 (2001), Wärmestrom abwärts gerichtet
Das Raumklima nach DIN 4108-3 aus dem Jahr 2001 für abwärts gerichteten Wärmestrom wird beispielsweise für die Berechnung einer Geschossdecke verwendet, über der sich ein beheizter Raum befindet und die nach unten an einen unbeheizten Raum grenzt. Dadurch bewegt sich der Wärmestrom durch das Bauteil abwärts. Es sollte beachtet werden, dass dieses Raumklima nicht mehr dem aktuellen Stand der Technik entspricht. Das angesetzte Raumklima berücksichtigt hierbei nur konstante Klimabedingungen und sollte nur für rein thermische Simulationen verwendet werden. Im Standard-Innenraumklima können die blau gefärbten Parameter nicht angepasst werden.
2.3. Raumklimamodell nach DIN 4108-3 (2001), Wärmestrom horizontal und aufwärts gerichtet
Dieses Raumklima sollte ebenfalls nur für rein thermische Simulationen verwendet werden. Ein aufwärts gerichteter Wärmestrom tritt beispielsweise bei einer Geschossdecke auf, unter der sich ein beheizter Raum befindet und die nach oben an einen unbeheizten Raum grenzt. Auch beim Anschluss einer Geschossdecke an eine Außenwand können entsprechende Wärmestromrichtungen auftreten. Auch hier sollte beachtet werden, dass das Raumklima dem aktuellen Stand der Technik nicht mehr entspricht und die Parameter für das Standard-Innenraumklima nicht angepasst werden können.
2.4. Raumklimamodell nach DIN 4108-3 (2014)
Das Raumklima nach DIN 4108-3 aus dem Jahr 2014 unterscheidet sich in der Berechnung nicht von dem Raumklima nach DIN 4108-3 aus dem Jahr 2004. In DELPHIN wird hier nicht zwischen abwärts und horizontal/ aufwärts gerichtetem Wärmestrom unterschieden.
2.5. Raumklimamodell nach ISO 15026/ WTA 2014
Das WTA Merkblatt 6.2 aus dem Jahr 2014 verwendet ein Innenraumklima, welches sich nur aus der Außenlufttemperatur berechnet. Die äußere relative Luftfeuchte wird in die Berechnung nicht einbezogen. In der aktuellen Version der DIN 4108-3 2024 und ISO 15026 wird auf dieses Raumklimamodell verwiesen.
Das Raumklimamodell unterscheidet zwischen vier verschiedenen Feuchtelasten im Innenraum, welche je nach zu erwartender Feuchtelast gewählt werden müssen (siehe Raumklimamodell nach WTA 6.2 - 2025). Die Innenraumtemperatur liegt für Außentemperaturen unter 10 °C bei 20 °C und für Außenlufttemperaturen über 20 °C bei 25 °C. Zwischen 10 °C und 20 °C Außenlufttemperatur wird die Raumlufttemperatur linear interpoliert. Die Raumluftfeuchte berechnet sich ebenfalls anhand der Außenlufttemperatur.
Die Feuchtlast kann im oben gezeigten Auswahlmenü eingestellt werden.
2.6. Raumklimamodell nach WTA 6.2 - 2025
Im WTA-Merkblatt 6.2 wird zwischen vier unterschiedlichen Innenraumklimata unterschieden, die sich jeweils in der zu erwartenden Raumluftfeuchte bzw. Feuchtelast unterscheiden.
Die Innenraumklimata für die jeweiligen Feuchtelasten können gemäß WTA 6.2 2025, A.4 für folgende Beispiele angewandt werden:
Niedrige Feuchtelast:
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Wohnräume mit Lüftungsanlage (ausreichendem Grundluftwechsel durch eine Lüftungsanlage) ohne Feuchterückgewinnung/ Luftbefeuchtung und normaler Feuchtebelastung durch Menschen und Pflanzen
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Sporthallen ohne Sanitärbereich (mit mechanischer Grundlüftung, geringe Personenbelastung)
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Verkaufsräume und Lager mit geringer Personenbelastung
Dieser Ansatz enthält jedoch keine Sicherheit und kann somit zukünftige Umnutzungen einschränken.
Normale Feuchtlast:
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Wohnräume mit normaler Personenbelastung und üblichen Anwesenheitszeiten
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Büroräume, Kindergärten, Schulen ohne Angaben zur Belegung und/ oder Lüftung
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Sporthallen mit Sanitärbereichen
Erhöhte Feuchtelast (+5%):
Die "erhöhte Feuchtlast" stellt die "normale Feuchtelast" mit einem Sicherheitsaufschlag dar. Dazu wird die zu erwartende Feuchtelast um 5 % erhöht.
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Räume, die für den kritischen Fall hinsichtlich der Feuchtbelastung bemessen werden
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gewerbliche Küchen
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Wohnräume ohne Angabe zur Lüftung und Personenbelegung
Hohe Feuchtelast:
Den Fall "hohe Feuchtelast" stellen Räume mit sehr hoher regelmäßiger Belegung (weniger als 15 m² pro Person) und weiteren Indizien für hohe Raumluftfeuchten dar.
Weitere Beispiele sind dem Anhang A.4 des WTA-Merkblattes 2025 zu entnehmen.
Diese Einteilung unterscheidet sich bisher nicht vom vorherigen Raumklimamodell nach WTA 6.2 2014. Die Unterschiede liegen zum einen in der angesetzten Innenraumtemperatur für dazugehörige Außentemperaturen von bis zu 10 °C. Anstatt von 20 °C Raumlufttemperatur wird im neuen Modell eine Temperatur von 21 °C im Innenraum angesetzt.
Abbildung 9. Raumtemperatur WTA 6.2 2014
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Abbildung 10. Raumtemperatur WTA 6.2 2025
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Ein weiterer Unterschied ist in der Ermittlung der Raumluftfeuchte zu erkennen. Während im WTA-Merkblatt 6.2 2014 mit relativen Raumluftfeuchten in Abhängigkeit der Außenlufttemperatur gearbeitet wird, ermittelt sich die Raumluftfeuchte nach WTA 6.2 2025 aus der Feuchtelast in g/m³ in Abhängigkeit der Außentemperatur.
Abbildung 11. Relative Luftfeuchte WTA 6.2 2014
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Abbildung 12. Relative Luftfeuchte WTA 6.2 2025
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Das Modell nach WTA 6.2 2014 kann dennoch weiterhin angewandt werden. Des Weiteren kann das Raumluftklima anhand festgelegter und durch raumlufttechnische Anlagen abgesicherter Sollwerte definiert werden.
2.6.1. Eingabe in DELPHIN
Zunächst muss im Dialog die passende Feuchteklasse ausgewählt werden. Die blau gefärbten Felder im Dialog sind festgesetzt und können im Standard-Innenraumklima nicht verändert werden. Gelb hinterlegte Felder, hier für den Wärmeübergangskoeffizienten und den Übergangskoeffizienten für Dampfdiffusion, können angepasst werden, beinhalten jedoch standardmäßig die Normwerte und müssen daher nicht zwingend geändert werden.
Ist der blaue Haken im Dialog gesetzt, so wird die Innenraumtemperatur im Sommer auf 25°C begrenzt. Ist der blaue Haken nicht gesetzt, so steigt die Innenraumtemperatur im Sommer linear an. Dies würde einen Raum ohne Kühlung abbilden.
2.7. Raumklima nach ASHRAE 160
Die ASHRAE 160 unterscheidet zwischen drei verschiedenen Raumklimamodellen. Die Innenraumtemperatur wird dabei durch Bauvorschriften, Gesetze oder Verordnungen bestimmt. Alternativ werden die Innenraumtemperaturen anhand des gleitenden 24-Stunden-Mittelwertes gemäß der folgenden Tabelle bestimmt:
24h gleitender Mittelwert Außenlufttemperatur |
Innenluft Designtemperatur °C (°F) |
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|---|---|---|
Nur Heizen |
Heizen und Kühlen |
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To,24h ≤ 18.3 °C |
21.1 °C |
21.1 °C |
18.3 °C < To,24h ≤ 21.1 °C |
To,24h + 2.8 °C |
To,24h + 2.8 °C |
To,24h > 21.1 °C |
To,24h + 2.8 °C |
23.9 °C |
Für die Raumluftfeuchten können zum einen die beabsichtigte geplante Innenraumfeuchte der HLK-Ausrüstung genutzt oder eines der drei folgenden Modelle angewandt werden:
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simplified model
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intermediate model
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vollständig parametrisierte Berechnung
Letzteres ist bisher noch nicht in DELPHIN 6.1.8 abbildbar.
2.7.1. Simplified Model in DELPHIN
Das vereinfachte Modell berechnet die relativen Luftfeuchtigkeiten der Räume anhand der Tagesdurchschnittstemperatur im Freien. Im Dialog kann mittels eines blauen Hakens das Vorhandensein einer Heizung und Klimaanlage bestätigt werden. Daraufhin werden die Innenraumtemperaturen im Sommer, bzw. ab einer Außentemperatur von 21 °C, auf eine Maximaltemperatur von 23,8 °C begrenzt. Ist dieser Haken nicht gesetzt, so wird davon ausgegangen, dass keine Klimaanlage im Gebäude vorhanden ist, wodurch die Innenraumtemperaturen deutlich höher angesetzt werden.
Auch in diesem Dialog können die gelb gefärbten Felder verändert werden, zeigen jedoch in der Standardeinstellung die Normwerte.
Im Diagramm für die relative Luftfeuchtigkeit ist zu erkennen, dass eine relative Luftfeuchtigkeit von > 70% nicht überschritten wird. Dies entspricht der Empfehlung der ASHRAE 160, die darauf hinweist, dass relativen Luftfeuchtigkeiten außerhalb dieser Grenze mit Maßnahmen entgegengesteuert werden sollte. Weitere Vorgaben bezüglich der Raumluftfeuchte sind der geltenden Norm ASHRAE 55 zu entnehmen.
Die relative Luftfeuchtigkeit für den Innenraum bezieht sich auf Tabelle 4-2 der ASHRAE 160:
2.7.2. Intermediate Model in DELPHIN
Im Gegensatz zum simplified Model nutzt das intermediate Model stündliche Wetterdaten und präzisere Angaben zur Kühlung im Raum, um die Raumluftfeuchte zu bestimmen. Der Dialog dazu in Delphin umfasst daher detailliertere Eingaben.
Zunächst werden die allgemein gültigen Einstellungen erläutert.
In der ersten gelb hinterlegten Zeile muss zunächst das Gebäudevolumen in m³ angegeben werden. Dies ist unter anderem maßgebend für die Lüftung im Gebäude. In der darunterliegenden Zeile ist festzulegen, ob die Feuchtelasten für ein Wohngebäude bestimmt werden oder eine nutzerdefinierte Feuchtelast in g/h festgelegt werden soll.
Die Feuchtelast ist hier abhängig von der Anzahl geplanter Schlafzimmer im Gebäude, welche mit der Anzahl der Personen, die sich im Gebäude aufhaltenden, korreliert. Bei einem Gebäude mit einem Schlafzimmer, wird von 2 Personen im Gebäude ausgegangen. Für jedes weitere Schlafzimmer ergibt sich jeweils eine weitere Person im Gebäude. Das bedeutet, dass bei 2 Schlafzimmern von 3 Personen, bei 3 Schlafzimmern von 4 Personen, usw. ausgegangen wird.
Im folgenden Schritt werden Einstellungen bezüglich der Lüftung gewählt. Hier kann zwischen der Standard-Lüftung und der nutzerdefinierten Lüftung gewählt werden. Die Standard-Lüftung unterscheidet dabei zwischen einem Standard-Gebäude mit einem Luftwechsel von 0,2 1/h und einem luftdichten Gebäude mit einem Luftwechsel von 0,1 1/h. Sollte ein anderer Luftwechsel nötig sein, so kann dieser manuell als benutzerdefinierte Lüftung gewählt werden.
[1] Klimaanlage mit Kühlung:
Das Setzen dieses Hakens ist, wie die Beschreibung es sagt, für Räume mit kühlender Klimaanlage vorgesehen. Dies wird im Abschnitt 4.3.2.2 der ASHRAE 160 beschrieben. Diese Einstellung bewirkt, dass die Maximaltemperaturen im Innenraum auf 23,8 °C begrenzt werden. Des Weiteren reduziert sich die relative Luftfeuchtigkeit im Raum. Ist dieser blaue Haken gesetzt, so ist es nicht mehr möglich, das Vorhandensein eines Whirlpools ohne automatisch gesteuerten Abluftventilator hinzuzufügen.
[2] Vorhandensein eines Whirlpools ohne automatisch gesteuerten Abluftventilator
Enthält der Raum einen Whirlpool ohne automatische Abluftsteuerung, so ist mit höheren Feuchtelasten im Raum zu rechnen. Die zu erwartende Feuchtelast erhöht sich nach der ASHRAE 160 um 1,3 L/Tag.
[3] Der Raum besitzt eine Entfeuchtungsfunktion
Besitzt der Raum einen Entfeuchter, so werden die zu erwartenden relativen Luftfeuchten auf eine maximale relative Luftfeuchte von 50 % begrenzt.
2.8. Das benutzerdefinierte Innenklima
Das benutzerdefinierte Innenklima ermöglicht es, manuelle Werte für das Raumklima festzulegen. Dieses bleibt über den Simulationszeitraum konstant und bildet nur die eingetragenen Werte ab.
3. Außenklimabedingungen
3.1. Standortaußenklima (DIN EN ISO 15927)
In DELPHIN gibt es neben dem konstanten Außenklima zwei weitere Außenklimabedingungen. Das Standard-Außenklima verwendet zunächst das Lokalklima entsprechend dem gewählten Standort.
Hier können die Wärmeleitung, die Dampfdiffusion, kurzwellige Solarstrahlung, der langwellige Strahlungsaustausch sowie der Schlagregen berücksichtigt werden. Die Einstellungen sind davon abhängig, wie das Bauteil der Witterung ausgesetzt ist.
Wärmeleitung
Wärmeleitung findet an dieser Stelle immer statt, wenn ein Temperaturunterschied zwischen den Rändern vorliegt. Ist die Oberfläche starkem Wind ausgesetzt, so kann der Wert entsprechend der EN ISO 6946 auf 20 W/m2K erhöht werden. Der effektive Wärmeübergangskoeffizient setzt sich aus dem konvektiven Anteil und dem Strahlungsanteil des Wärmeübergangskoeffizienten zusammen.
Dampfdiffusion
Die Dampfdiffusion sollte bei feuchtetechnischen Nachweisen immer zugeschaltet sein.
Kurzwellige Solarstrahlung
Kurzwellige Solarstrahlung betrifft alle Oberflächen, die Solarstrahlung erfahren. Dazu zählt sowohl die direkte als auch die diffuse Solarstrahlung. Je heller die Oberfläche ist und je stärker sie reflektiert, desto geringer ist der Absorptionskoeffizient.
Langwelliger Strahlungsaustausch
Langwelliger Strahlungsaustausch spielt besonders bei Dächern eine große Rolle. Ein hoher Emissionsgrad sagt dabei aus, dass die Oberfläche sehr viel Energie in Form von Wärme abstrahlen kann. Dies ist der Fall für beispielsweise sehr dunkle Oberflächen. Stark reflektierende Oberflächen haben einen sehr geringen Emissionsgrad, was bedeutet, dass die Oberfläche einen nur sehr geringen Anteil an Wärme abstrahlt und einen größeren Teil speichern kann. Dieser Effekt spielt beispielsweise bei der nächtlichen Abkühlung und dem damit verbundenen Tauwasserrisiko eine entsprechende Rolle.
Schlagregen
Schlagregen spielt für alle bewitterten Fassaden und Dächer eine Rolle, die keinen konstruktiven oder stofflichen Schlagregenschutz besitzen. Befindet sich die Außenwand beispielsweise unter einem ausreichend langen Dachüberstand kann auf den Schlagregen verzichtet werden. Wird davon ausgegangen, dass das zu berechnende Dach eine vollständig intakte Abdichtung aufweist, kann ebenfalls auf den Schlagregen verzichtet werden. Da dies jedoch sehr schwer zu überprüfen ist, sollte der Schlagregen für feuchtetechnische Nachweise dennoch hinzugeschaltet werden. Für senkrechte Wände kann der Wert um 30 % abgemindert werden.
Der Schlagregen wird hier entsprechend der DIN EN ISO 15927-3 berechnet.
3.2. Außenklima (ASHRAE 160)
Das zweite Außenklima unterscheidet sich nur hinsichtlich des Schlagregens, der hier nach der ASHRAE 160 berechnet wird, vom vorherigen Standortklima.
Schlagregen
Die Berechnung des Schlagregens erfolgt hier mittels des Regenabminderungsfaktors FE sowie des Regenanlagerungskoeffizienten FD. Der Faktor FE bezieht sich dabei auf die Stärke der Belastung, die zum einen von der Gebäudehöhe sowie der Exposition des Bauteils abhängt.
Der Koeffizient FD bezieht sich auf die Position des simulierten Bereiches, bezogen auf das gesamte Objekt. Unter einem Steildach beispielsweise beträgt der Koeffizient FD = 0,35, da die Wand vom Dach aerodynamisch gut geschützt wird. Ist eine Wand dem vollständig ungestörten Regenabfluss ausgesetzt, so liegt FD bei 1,0.
4. Klimabedingungen für erdberührte Bauteile
Für erdberührte Bauteile gelten andere Außenklimabedingungen.
Hier wird zwischen vier verschiedenen Modellen unterschieden, die sich zum Teil auf unterschiedliche Normen beziehen. Es wird unterschieden zwischen:
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Bodentemperaturberechnung gemäß DIN 4108 Beiblatt 2 für Tiefe > 1m
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Erdreichkontakt gemäß DIN 4108-3 D.2.4 für Tiefe < 1 m
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Erdreichkontakt gemäß DIN 4108-3 D.2.4 für Tiefe > 1 m
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Erdreichtemperatur gemäß WTA 6.2 2025
4.1. Bodentemperaturberechnung gemäß DIN 4108 Beiblatt 2 für Tiefe > 1m
Die hier blau dargestellten Eigenschaften können an dieser Stelle nicht angepasst werden. Die relative Luftfeuchte beträgt in der Standardeinstellung 99,97 %, was den durchschnittlichen mitteleuropäischen Boden ab ca. 1m Tiefe beschreibt und eine kritische Annahme darstellt.
Zusätzlich kann der Flüssigwassertransport hinzugefügt werden. Dies sollte berücksichtigt werden, wenn das Bauteil unter dem Grundwasserspiegel liegt und drückendem Wasser ausgesetzt ist.
Dieses Modell wird jedoch hauptsächlich für rein thermische Berechnungen angesetzt.
4.2. Erdreichkontakt gemäß DIN 4108-3 D.2.4 für Tiefe < 1 m
Das Modell nach der DIN 4108-3 für Bauteile die weniger als 1 m tief liegen, berücksichtigt im Vergleich zum vorherigen Modell sehr ähnliche Eigenschaften. Da das Bauteil weniger als 1 m tief im Erdreich liegt, werden hier die Außenlufttemperaturen im Erdreich angenommen, welche sich abhängig vom jeweiligen Standort ergeben. Der Flüssigwassertransport wird unter gleichen Bedingungen wie beim vorherigen Modell hinzugeschalten.
4.3. Erdreichkontakt gemäß DIN 4108-3 D.2.4 für Tiefe > 1 m
Für Bauteile, die tiefer als 1 m im Erdreich liegen, wird das folgende Modell nach DIN 4108-3 angewandt. Der Temperaturverlauf wird hier vereinfacht als sinusförmiger Jahresverlauf mit Minimaltemperatur von 1 °C und Maximaltemperaturen von 17 °C angenommen. Auch hier kann für Bauteile, welche sich unterhalb des Grundwasserspiegels befinden, der Flüssigwassertransport hinzugeschaltet werden.
4.4. Erdreichtemperatur gemäß WTA 6.2 2025
Die Temperatur im Erdreich wird anhand des Außenklimas und der Tiefe berechnet, in der sich das Bauteil im Erdreich befindet. Umso näher das Bauteil an der Geländeoberkante liegt, desto ausgeprägter ist der sinusförmige Verlauf der Temperatur. Für Tiefen ab etwa 20 m wird eine nahezu konstante Temperatur angenommen. Die Temperaturleitfähigkeit wird, wenn nichts Genaueres bekannt ist, zu 0,0048 m²/h angenommen. Die Phasenverschiebung setzt sich in der Voreinstellung aus der Zeitspanne zwischen dem 01.01 und dem maximalen Wert zusammen, der hier, wenn keine genaueren Informationen vorliegen, am 15.7. angenommen wird. Auch hier kann der Flüssigwassertransport bei den oben genannten Bedingungen hinzugefügt werden.
