Grundlagen/Klimadaten

Jede Berechnung in EPOS-Plan beginnt beim Wetter. Aus dem Klimadatensatz des Standorts ergeben sich der zeitliche Verlauf des Heizwärmebedarfs, die Leistungszahl der Wärmepumpe, der Ertrag von Solarkollektoren und Photovoltaik sowie die Gleichzeitigkeit von Erzeugung und Bedarf. Ein sorgfältig gewählter Klimadatensatz ist damit die wichtigste Randbedingung einer Simulation. Diese Seite erklärt, woraus ein Klimadatensatz besteht und wie typische Jahre entstehen, wie EPOS-Plan die Stundenwerte speichert, in Ortszeit liest und zu Tageswerten verdichtet, welche Größe welcher Rechenweg nutzt und wie aus der Reihe die Auslegungs-Außentemperatur, die Heiztage und die Gradtagzahl werden.

Klimadaten

Jede Jahressimulation beginnt beim Wetter. EPOS-Plan arbeitet mit stündlich aufgelösten Klimadatensätzen, die für jede der 8.760 Jahresstunden die Außentemperatur sowie die Global-, Direkt- und Diffusstrahlung enthalten. Grundlage sind typische meteorologische Jahre (TMY) und die Testreferenzjahre (TRY) des Deutschen Wetterdienstes, die aus langjährigen Messreihen so zusammengesetzt werden, dass jeder Monat einem statistisch repräsentativen Monat des Betrachtungszeitraums entspricht. Ein TMY bildet damit kein tatsächlich aufgetretenes Jahr ab, sondern ein für den Standort typisches – genau das, was für Auslegung und Ertragsprognose gebraucht wird.

Zur Wahl stehen der Abruf eines TMY über PVGIS (bis 72,5° nördlicher Breite), eine selbst bezogene Testreferenzjahr-Datei des DWD, die offenen TRY-Regionaldaten für Deutschland und eine EPW-Wetterdatei, etwa ein TMYx-Jahr, auch für Orte ohne PVGIS-Daten. Den Standort geben Sie über einen Ortsnamen oder über Koordinaten an; das Programm lädt die Stundenwerte und rechnet die Strahlung auf die vier Hauptausrichtungen Süd, Ost, West und Nord um. Das Ergebnis ist eine Klimaregion, die jedes Projekt auswählt; die Bedienung beschreibt Programm Dokumentation/Klimadaten. Diese richtungsabhängige Aufbereitung ist die Voraussetzung dafür, dass solare Gewinne über Fenster, Kollektorerträge und Photovoltaikerträge getrennt und lagerichtig berechnet werden können. Ergänzend wird für jede Stunde der Sonnenstand aus Deklination, Zeitgleichung und Stundenwinkel bestimmt; daraus ergibt sich der Einfallswinkel auf jede geneigte Fläche.

Eine Klimaregion trägt zwei Reihen. Die Stundenreihe führt je Stunde die Außentemperatur, die Globalstrahlung auf die Horizontale, die Direktstrahlung senkrecht zur Sonne (Direkt-Normalstrahlung), die Diffusstrahlung, die Einstrahlung auf die vier Fassaden und den Sonnenwinkel, dazu – wenn die Quelle sie liefert – Gegenstrahlung, relative Luftfeuchte und Bedeckungsgrad; eine Größe, die die Quelle nicht führt, bleibt leer und wird nie als null gelesen. Die Tagesreihe führt je Tag die Mittel derselben Größen, den höchsten Sonnenwinkel, ein Wochenendkennzeichen und zwei Tagtypen. Wind und Luftdruck übernimmt EPOS-Plan nur als Rohwerte; gerechnet wird mit ihnen nicht.

Aus den Stundenwerten leitet EPOS-Plan zusätzlich Tagesmittelwerte und eine Tagtypklassifizierung ab – nach Jahreszeit, Wochentag und Bewölkungsgrad, erkennbar am Anteil der Diffusstrahlung. Ein Tag gilt als bewölkt, wenn sein Mittel der Diffusstrahlung mehr als die Hälfte der Globalstrahlung ausmacht; die Jahreszeit ist das Quartal, und Werktag und Wochenende werden je Quartal getrennt, sodass acht Tagtypen entstehen. Diese Tagtypen braucht nur der Rechenweg Tagesbilanz für die Umlage des Tageswärmebedarfs auf Stundenwerte; das Gebäudemodell nach VDI 6007 rechnet unmittelbar mit den Stundenwerten. Der Klimadatensatz beeinflusst das Ergebnis erheblich: Schon zwischen den typischen Jahren für Bielefeld, Berlin, Stuttgart und München in den Testdaten des Programms liegen rund zehn Prozent bei der Gradtagzahl (3.290 bis 3.620 Kd) und fast sieben Kelvin beim kältesten Tagesmittel (−4,6 bis −11,3 °C) – das verschiebt Heizwärmebedarf, Spitzenlast und den Bivalenzpunkt einer Wärmepumpe. Wählen Sie deshalb die Klimaregion standortnah und nicht pauschal.

Größe	Einheit	genutzt von
Außentemperatur	°C	Gebäudemodell, Luft-Wärmepumpe (Quelltemperatur und Abschaltpunkt), Erdreich und Erdwärmesonde (Jahresgang), Rückkühlung der Kältemaschine, Zelltemperatur der PV-Module, Kollektor, Heiztage des Kessels
Global-, Direkt- und Diffusstrahlung	W/m²	Photovoltaik, Solarthermie, Fenster und Außenflächen im Gebäudemodell
Einstrahlung auf vier Fassaden	W/m²	Rechenweg Tagesbilanz
Gegenstrahlung	W/m²	langwelliger Austausch der Außenflächen im Gebäudemodell
relative Luftfeuchte	%	Rückkühlung im Nasskühler (Feuchtkugeltemperatur), Feuchteschutz der Bauteile
Bedeckungsgrad	Achtel	Typtage der Zapfprofile nach VDI 4655
Wind, Luftdruck	–	nur Rohwerte, nicht gerechnet

Zeitliche Auflösung

EPOS-Plan rechnet mit Stundenwerten über ein Gemeinjahr ohne Schalttag, also 8.760 Zeitschritten. Diese Auflösung ist fein genug, um Speicherbewirtschaftung und den Wechsel zwischen Erzeugern realistisch abzubilden, und grob genug, um vollständige Jahressimulationen in Sekunden zu rechnen. Photovoltaik und Strombedarf bilanzieren feiner, Viertelstunde für Viertelstunde, weil der Eigenverbrauch in Stundenmittelwerten zu günstig ausfiele.

Gespeichert ist die Stundenreihe in Weltzeit (UTC), so wie die Quellen sie liefern; eine Datei in mitteleuropäischer Zeit wird beim Einlesen umsortiert. Für die Rechnung liest EPOS-Plan die Reihe in Ortszeit: Jede Stunde des Rasters bekommt die UTC-Stunde, die eine bzw. in der Sommerzeit zwei Stunden davor liegt. Die Sommerzeit folgt der europäischen Regel im Referenzjahr – dem Jahr einer Preisreihe des Projekts, sonst einem festen Bezugsjahr. Weil das Raster genau 8.760 Fächer hat, wird an der Umstellung im Frühjahr eine Nachtstunde doppelt und im Herbst eine nicht gelesen; Strahlung tragen diese Stunden nicht. Der Sonnenstand dagegen folgt der UTC-Herkunft jeder Zeile, gerechnet zum Stundenanfang – so stehen Sonne und Uhrzeit des Bedarfs zueinander, wie sie es am Standort tun.

Tagesmittel bilden Gebäudemodell und Kessel aus den 24 Ortsstunden eines Tags; die Tagesreihe der Klimaregion und der Rechenweg Tagesbilanz mitteln über den UTC-Tag. Der Unterschied ist eine Verschiebung um ein bis zwei Stunden und bleibt im Tagesmittel klein.

Tagesmittel der Außentemperatur über ein Jahr mit dem Band der kältesten und wärmsten Stunde je Monat, der Heizgrenze 15 °C, dem Jahresmittel und der Auslegungs-Außentemperatur; unten die Heiztage. Stundenwerte der Klimaregion Stuttgart aus den Testdaten des Programms (typisches Jahr), in Ortszeit gelesen.

Das Band zeigt, wie weit die Stunden um das Tagesmittel streuen: Im Februar des Beispieljahrs liegt die kälteste Stunde bei −18,2 °C, das kälteste Tagesmittel bei −11,25 °C – die Wärmeübergabe sieht die Stunde, eine träge Gebäudemasse eher das Tagesmittel. Über das Jahr liegt das Mittel bei 9,9 °C, die wärmste Stunde bei 33,5 °C.

Beispiel. In der Klimaregion des Bildes liegen 254 Tagesmittel unter der Heizgrenze von 15 °C und 46 unter 0 °C. Die Gradtagzahl G20/15 beträgt rund 3.520 Kd: Für jeden dieser 254 Tage wird der Abstand seines Mittels zu 20 °C aufsummiert, ein Tag mit 5 °C trägt also 15 Kd bei, ein Tag mit −10 °C 30 Kd.

Wochentage und Feiertage

Die Klimaregion bestimmt auch den Kalender. Aus ihren Wochenendkennzeichen ergibt sich der Wochentag des 1. Januar, und dieses Wochentagsraster gilt für alle Bedarfsarten: Gebäude, Brauchwasser, Prozesswärme und Strombedarf. Ein Jahresdatum hat das Raster nicht; die beweglichen Feiertage liegen nach festen Regeln in diesem Gemeinjahr, Ostern etwa auf dem Sonntag, der dem 8. April am nächsten liegt. Trägt das Projekt eine Spotpreisreihe mit Jahr, gilt stattdessen der Kalender dieses Jahres mit seinen echten Feiertagen. Einzelheiten stehen unter Berechnung: Wärmebedarf; Regeln und Beispiel zeigt Gemeinjahr und Feiertage.

Den Wochentag des 1. Januar liest EPOS-Plan aus den ersten beiden Wochen der Tagesreihe: Das erste Paar aus zwei Wochenendtagen, vor und nach dem ein Werktag liegt, ist Samstag und Sonntag, und von dort wird zurückgezählt. Findet sich kein solches Paar, gilt ein fester Wochentag, und das Laufprotokoll nennt den Grund.

Standortwahl

Der Standort wird über einen Ortsnamen oder über Koordinaten festgelegt. PVGIS liefert die Werte für genau diesen Punkt; bei den TRY-Regionaldaten wählt EPOS-Plan die Region, deren Bezugspunkt dem Standort am nächsten liegt. Zwischen einem Standort im Rheintal und einer Lage auf 700 Metern liegen im Jahresmittel mehrere Kelvin Außentemperatur; das verschiebt sowohl den Heizwärmebedarf als auch die Jahresarbeitszahl einer Wärmepumpe spürbar. Bei Projekten in ausgeprägter Kessel- oder Kammlage lohnt sich deshalb der Blick darauf, ob der Datensatz die Lage des Standorts trifft. Für die Auslegung einer Wärmequelle Erdreich nach VDI 4640 kommt die Klimazone nach DIN 4710 (1 bis 15) hinzu; sie wird im Dialog Wärmequelle Erdreich mit Hilfe einer Karte gewählt.

Auslegungstemperatur und Heizgrenze

Aus dem Klimadatensatz leitet EPOS-Plan die Auslegungs-Außentemperatur für die Auslegung der Wärmeübergabe ab: das kälteste Tagesmittel der Klimareihe, abgerundet, sofern am Gebäude kein eigener Wert steht (Gebäudemodell VDI 6007). Die Heizgrenztemperatur trennt Tage mit Raumheizung von Tagen, an denen nur noch Warmwasser oder Prozesswärme benötigt wird. Sie hängt vom Dämmstandard ab: gut gedämmte Gebäude erreichen die Heizgrenze bereits bei 12 bis 14 °C, wenig gedämmte Bestandsgebäude erst bei 16 bis 18 °C (Planungsrichtwert, nicht im Programm). Das Gebäudemodell nach VDI 6007 braucht keine feste Heizgrenze, weil es den Heizbedarf jeder Stunde aus der Bilanz rechnet; eine Heizgrenze tritt im Programm an anderer Stelle auf, etwa für die Betriebsbereitschaft eines Kessels.

Die Auslegungs-Außentemperatur ist das abgerundete Minimum der 365 Tagesmittel:

${\theta }_{\mathrm{e},\mathrm{A}}=\lfloor \underset{d}{\min }{\overline{\theta }}_d\rfloor {\overline{\theta }}_d=\frac{1}{24}\sum _{h=1}^{24}{\theta }_{\mathrm{e},d,h}$

mit dem Mittel ${\overline{\theta }}_d$ der 24 Ortsstunden des Tages $d$. Mit ihr legt die Heizkurve den Vorlauf am kältesten Tag fest, und am selben Tag bemisst das Gebäudemodell die Auslegungsheizlast, auf die sich Übergabe und Bivalenzpunkt beziehen. Ein Wert am Gebäude geht vor; er darf zwischen −30 und +5 °C liegen und muss unter der Raumtemperatur der Auslegung bleiben. Die Normaußentemperatur nach DIN EN 12831-1 (Heizlast) beschreibt einen seltenen kalten Zweitagesmittelwert und liegt in Deutschland je nach Ort meist zwischen −10 und −16 °C (Planungsrichtwert, nicht im Programm); ein typisches Jahr erreicht sie im Tagesmittel oft nicht. In den Testdaten des Programms ergeben die typischen Jahre für Berlin −5 °C, für München −7 °C und für Stuttgart −12 °C. Wer die Heizflächen nach Norm auslegen will, trägt den Normwert am Gebäude ein.

Die Heizgrenze kommt an vier Stellen vor, jeweils als Grenze für das Tagesmittel:

• Ein stillstehender Kessel gilt an Heiztagen als betriebsbereit und bekommt dann je Stunde seinen Bereitschaftsverlust; Heiztag ist ein Tag, dessen Mittel unter der Heizgrenze des Projekts liegt (Vorgabe 15 °C). An den übrigen Tagen ist er abgeschaltet und verliert nichts, außer im Nachlauf nach einem Betrieb. Die Zahl der Heiztage steht im Laufprotokoll.
• Die Erdwärmesonde verteilt die Jahresentzugsarbeit nach den Heizgradstunden unter 15 °C auf die Monate.
• Die Auslegung des Pufferspeichers nimmt 15 °C als Vorgabe der Heizgrenze für die Heizzone.
• Die Vorschau einer Klimaregion zeigt Heiztage und Gradtagzahl mit 15 °C.

Die Gradtagzahl nach VDI 3807 Blatt 1 fasst die Kälte eines Jahres in einer Zahl:

$G_{20/15}=\sum _{{\overline{\theta }}_d<15{}^{\circ }\mathrm{C}}(20{}^{\circ }\mathrm{C}-{\overline{\theta }}_d)$

Sie eignet sich, um Klimaregionen miteinander oder einen gemessenen Verbrauch mit dem typischen Jahr zu vergleichen; ein Rechenweg des Programms liest sie nicht.

Beispiel. Im Jahresgang des Bildes ist der 28. Februar der kälteste Tag mit einem Mittel von −11,25 °C; abgerundet ergibt das −12 °C als Auslegungs-Außentemperatur. Ein Gebäude mit 20 °C Raumtemperatur und 50 kW Heizlast bei −12 °C braucht an einem Tag mit 5 °C Mittel rechnerisch (20 − 5) / (20 + 12) × 50 = 23 kW; an diesem Verhältnis richtet die Heizkurve den Vorlauf aus. Die 254 Heiztage bestimmen, an wie vielen Tagen ein Kessel betriebsbereit gehalten wird.

Strahlungsdaten

Für Solarthermie und Photovoltaik werden Global-, Direkt- und Diffusstrahlung auf die horizontale Fläche vorgehalten und auf die geneigte, ausgerichtete Fläche umgerechnet. Damit lassen sich auch Ost-West-Anlagen, Fassadenmodule und aufgeständerte Freiflächen realistisch bewerten.

Die Umrechnung braucht den Sonnenstand jeder Stunde. EPOS-Plan rechnet ihn mit den üblichen Näherungen aus dem Tag des Jahres $n$, der Länge und Breite des Standorts und der UTC-Stunde: die Deklination $\delta =\mathrm{23,4}{5}^{\circ }\cdot \sin (\frac{360^{\circ }}{365}(284+n))$, die Zeitgleichung $E=\mathrm{9,87}\sin 2B-\mathrm{7,53}\cos B-\mathrm{1,5}\sin B$ in Minuten mit $B=\frac{360^{\circ }}{365}(n-81)$, die wahre Sonnenzeit als UTC-Stunde plus $(E+4\cdot \lambda )/60$ mit der Länge $\lambda$ in Grad und daraus der Stundenwinkel $\omega =15^{\circ }\cdot (t_{\mathrm{S}\mathrm{o}\mathrm{n}\mathrm{n}\mathrm{e}}-12)$. Die Fassadenwerte der Klimaregion rechnet der Import mit einem isotropen Himmel und einer Bodenreflexion von 0,2; das Gebäudemodell und das erweiterte PV-Modell rechnen die Einstrahlung je Fläche selbst nach dem Modell von Hay und Davies, das den Diffusanteil um die Sonne verstärkt, Solarthermie und das einfache PV-Modell isotrop. Die Direktstrahlung liegt als Direkt-Normalstrahlung vor; aus einer Datei mit horizontaler Direktstrahlung wird sie beim Einlesen durch den Sinus der Sonnenhöhe geteilt, unter 5° Sonnenhöhe zählt sie zur Diffusstrahlung.

Die Gegenstrahlung ist die langwellige Wärmestrahlung der Atmosphäre. Das Gebäudemodell braucht sie für den Strahlungsaustausch der Außenflächen mit dem Himmel nach VDI 6007 Blatt 1: In klaren Nächten strahlen die Fenster – und mit dem Schalter für die Strahlung auf die Außenbauteile auch Wände und Dächer – mehr ab, als sie empfangen, ihre äquivalente Außentemperatur sinkt unter die Lufttemperatur. Fehlt die Gegenstrahlung in einer Stunde, rechnet das Modell ohne diesen Abschlag.

Normjahr, Extremjahr und Klimawandel

Ein Testreferenzjahr beschreibt einen typischen, keinen extremen Verlauf. Für die Auslegung der Spitzenlast ist deshalb zusätzlich ein kaltes Jahr zu betrachten, für die Bewertung von Kühlung und Überhitzung ein warmes. Klimaprojektionen verschieben beide Ränder: Der Heizwärmebedarf sinkt, der Kühlbedarf und die sommerlichen Temperaturen steigen. Wer eine Anlage über zwanzig Jahre bewertet, sollte den Vergleich zwischen einem heutigen und einem zukünftigen Klimadatensatz zumindest als Sensitivität rechnen. Die TRY-Regionaldaten bieten dafür das Bezugsjahr 2015 und die Projektion 2045, jeweils als mittleres, sommerwarmes oder winterkaltes Jahr.

Beispiel. Ein Projekt rechnet dieselbe Variante zweimal, einmal mit dem mittleren und einmal mit dem winterkalten Jahr derselben Region. Steigt dabei die Restwärme oder sinkt der Deckungsanteil der Wärmepumpe deutlich, liegt die Auslegung knapp; bleiben beide nahezu gleich, trägt die Anlage auch einen kalten Winter.

Praxishinweise

Der Klimadatensatz sollte vor allen weiteren Eingaben festgelegt werden, weil sich sonst Bedarfswerte und Auslegungsergebnisse nachträglich verschieben. Liegen gemessene Verbrauchsdaten vor, ist zu prüfen, aus welchem Jahr sie stammen: ein mildes Verbrauchsjahr führt zu einer systematischen Unterschätzung des Bedarfs, wenn es ungeprüft auf ein Normjahr übertragen wird. EPOS-Plan bietet dafür Referenz-Klimadaten (TMY) an. Der Vergleich der Gradtagzahlen hilft dabei: Ein Verbrauchsjahr mit 3.100 Kd gegen ein typisches Jahr mit 3.520 Kd war rund zwölf Prozent milder.

Ein TMY-Datensatz (Typical Meteorological Year, zu Deutsch: typisches meteorologisches Jahr) ist eine Sammlung von stündlichen Wetter- und Klimadaten für einen bestimmten Standort, die ein "durchschnittliches" oder repräsentatives Jahr abbildet.

Diese Datensätze sind der Standard für Simulationsberechnungen.

Wie ein TMY-Datensatz entsteht

Ein TMY ist kein reales, historisches Jahr, das genau so stattgefunden hat. Es ist vielmehr ein künstlich zusammengesetztes Jahr :

1. Es wird eine langjährige historische Wetterdatenbank (meist 10 bis 30 Jahre) für einen Standort analysiert.
2. Für jeden der 12 Kalendermonate wird derjenige spezifische historische Monat ausgewählt, dessen Wetterverlauf dem langjährigen Durchschnitt am nächsten kommt.
3. Diese 12 repräsentativen Monate werden aneinandergereiht. Ein TMY könnte also aus dem Januar 2015, dem Februar 2008, dem März 2021 usw. bestehen. Die Übergänge zwischen den Monaten werden dabei oft mathematisch geglättet, um unrealistische Sprünge zu vermeiden.

Typische enthaltene Parameter

Ein TMY-Datensatz enthält in der Regel für jede der 8.760 Stunden eines Jahres detaillierte Werte:

• Sonneneinstrahlung: Globalstrahlung, direkte Normalstrahlung (DNI) und diffuse Strahlung.
• Temperatur: Trockenkugeltemperatur (die normale Lufttemperatur) und Feuchtkugeltemperatur.
• Wind: Windgeschwindigkeit und Windrichtung.
• Feuchtigkeit: Relative Luftfeuchtigkeit oder Taupunkt.
• Luftdruck und Bewölkung.

Welche dieser Größen EPOS-Plan übernimmt, nennt Klimadaten – Was gespeichert wird.

Siehe auch

• Klimadaten festlegen – Standort und Klimadatensatz im Programmablauf
• Grundlagen/Gemeinjahr und Feiertage – Wochentagsraster, Osterregel und Preisreihe mit Jahr
• Programm Dokumentation/Klimadaten – Dialog Klimadaten, Quellen und Import
• Grundlagen/Gebäudemodell VDI 6007 – wie das Gebäudemodell Temperatur, Strahlung und Gegenstrahlung nutzt
• Stammdaten und Datenimport – Klimadatensätze, Kataloge und Datenimport

Grundlagen

• Klimadaten
• Wärmebedarfsrechnung
• Strombedarf und Lastprofile
• Brauchwasser
• Prozesswärme
• Gebäudemodell VDI 6007
• Bauteile am Erdreich
• Brauchwasser-Zapfprofile
• Gemeinjahr und Feiertage
• Wärmepumpe
• Wärmequelle Erdreich
• BHKW
• Solarkollektoren
• Photovoltaik
• Wechselrichter
• Kessel und Spitzenlast
• Kühlung
• Pufferspeicher
• Stromspeicher
• Hydraulikschemata
• Anlagenkopplung und Regelung
• Vergleich Energiebilanz
• Kostenrechnung
• Erlösrechnung
• Wirtschaftlichkeitsrechnung