Heizung und Kühlung realitätsnah am extremen Tagesgang dimensionieren
Der vorliegende dritte Teil der Serie vergleicht die konventionelle Kühllastberechnung nach VDI mit der stündlichen Bilanzierung über BDD+E. Es wird gezeigt, wie sich durch Einbeziehung tageszeitlicher Schwankungen und solarer Gewinne die Kühllast realistischer bestimmen lässt, um Übergabe- und Erzeugersysteme gezielter zu dimensionieren. Damit wird der Weg zu einer harmonisierten, datenbasierten Planung eröffnet.
Die Serie in sechs Teilen
Teil 1: Climate Design Days (CDD) – Erstellen eines systematisierten Klimadatensatzes über wenige Parameter sowie Vergleich mit dem Originaldatensatz und den Normvorgaben.
Teil 2: Dimensionierung der Heizung mittels BDD+E und Vergleich zur Heizlastberechnung.
Teil 3: Dimensionierung der Kühlung mittels BDD+E und Vergleich mit der Kühllastberechnung.
Teil 4: Berechnung der Jahresenergie für Heizung und Kühlung mittels BDD+E im Vergleich zum GEG.
Teil 5 und 6: Einblicke in die Dimensionierung von Wärmepumpen und PV-Anlagen (z. B. Balkonkraftwerke) mittels BDD+E.
Von der Spitzenleistung zum Tagesgang
Die Dimensionierung von Heizungs- und Kühlsystemen erfolgt in der Praxis meist über getrennte Spitzenwertverfahren. Bei der Heizlastberechnung nach DIN EN 12831 /4/ wird der maximale Wärmebedarf (Leistung) ermittelt, der unter den normativen Randbedingungen – dem so genannten Auslegungsfall – auftritt. Analog liefert die Kühllastberechnung nach VDI 2078 /5/ den größten Kältebedarf (Leistung). Diese beiden Spitzenwerte dienen anschließend als Grundlage für die Auslegung der technischen Anlagen. Das Vorgehen ist etabliert, führt aber häufig zu Überdimensionierungen, da die Berechnung jeweils nur den Moment des absoluten Maximums betrachtet. Tatsächlich treten diese Maxima selten gleichzeitig mit der tatsächlichen Nutzung oder dem realen thermischen Verhalten des Gebäudes auf. Systeme werden so ausgelegt, dass sie in jeder Situation alle Lasten vollständig decken, selbst wenn dies nur für wenige Stunden im Jahr notwendig wäre. Das Ergebnis ist eine unnötig hohe Leistungsbereitstellung mit Investition für übergroße Anlagentechnik und mangelnde Nachhaltigkeit.
Der Ansatz der Building Design Days (BDD) behebt das Problem /3/: Statt abstrakter Spitzenwerte wird der tatsächliche Tagesgang der thermischen Vorgänge im Raum betrachtet. Wenn die Dimensionierung an einem repräsentativen extremen Tag funktioniert, passt sie auch für das gesamte Jahr. Damit wird die Dimensionierung von der statischen Spitzenwertbetrachtung hin zum extremen Tagesgang mit einer systemorientierten Bewertung der Raumübertragungssysteme und Erzeugerkomponenten weiterentwickelt.
Der Tagesmittelwert der Kühlleistung wird als Dimensionierung empfohlen, weil an extremen Tagen die Kühlung 24 h laufen und die Speichermasse des Raumes vorkühlen kann. Damit entsteht an diesen seltenen extremen Tagen sogar ein erhöhter Raumkomfort durch morgendliche kühlere Räume.
Climate Design Days als Grundlage
Für diesen Ansatz werden geeignete Klimadaten benötigt. Reale Messdatensätze (z. B. DWD /1/, /2/) sind stark schwankend, sodass ein eindeutig definierbarer extremer Tag nicht existiert. Climate Design Days (CDD), vorgestellt in Teil 1 /8/, bilden das Klima daher systematisiert und nachvollziehbar ab. Jeder Design Day wird aus wenigen Parametern erzeugt und ergibt einen vollständigen stündlichen Tagesgang. Das Konzept umfasst neun Design Days (extreme und normale Winter- und Sommertage sowie fünf mittlere Tage für die Übergangszeiten). Durch die Wiederholung extremer Tage über jeweils eine Woche werden Hitze- und Kälteperioden berücksichtigt. Die CDD eignen sich sowohl für die Leistungsdimensionierung als auch für konsistente Jahresenergieberechnungen. Erkenntnisse zum Klimawandel sind integriert /10/.
Building Design Days: Statische Wärmebilanzen
Auf Basis des gewählten Climate Design Day wird eine stündliche statische Wärmebilanz des betrachteten Raumes oder der thermischen Zone erstellt. Diese umfasst alle relevanten Wärmequellen und Wärmesenken (innere Lasten, Sonneneinstrahlung, Nachbartemperatur, Transmission, Lüftung) und bildet sie über 24 h als Tagesgang ab. Es werden dieselben Formeln für statische Zustände aus bestehenden Normen verwendet, nur eben auf 8.760 statische Stunden-Bilanzen angewendet /3/.
Dargestellt werden:
- Außenluft- und Raumtemperaturen
- Heiz- und Kühlleistungen
- Energieflüsse über Hüllflächen und Raumsysteme
- angesetzte Betriebsweise (z. B. Überdeckung, Unterdeckung, Vorkühlen, Nachkühlen).
So lässt sich erstmals nachvollziehen, wann und warum Wärme- oder Kältebedarf entsteht – und wie das System darauf reagiert. Die Methode erlaubt es, die Systemlogik zwischen Raum, Anlagentechnik und Regelung sichtbar zu machen.
Dimensionierung der Kühlung – Standardverfahren vs. Building Design Days
Am Beispiel einer Büronutzung wird nachfolgend die Dimensionierung der Kühlung betrachtet, einmal konform zur Kühllastberechnung nach VDI 2078 /5/ und einmal als Design in der Methode Building Design Days /3/.
Gegeben ist ein eingebetteter Büroraum im Regelgeschoss mit der Fassade nach Süden:
Geometrie, netto:
- Bodenfläche 87 m2
- Volumen: 235 m3
- Breite 21,8 m
- Tiefe 4 m
- Höhe 2,7 m
Fassade:
- Wandfläche 58,7 m2
- Fensterflächen-Anteil 35 %
- Fensterfläche 20,6 m2
- Richtung Süd
Nutzung:
- Büro
- Zeit Montag bis Freitag 8 bis 18 Uhr
- Personen, Geräte, Beleuchtung Werte nach /6/
Lüftung:
- RLT-Anlage mit Wärmerückgewinnungsgrad 80 %
- Luftwechsel 1,48 l/h
- Zulufttemperatur im Sommer: 23 °C
Raum-Übertragungssystem:
- Fußboden-Flächensystem
- Kühlfall: Vorlauf min. 16 °C
Kühllast nach Standardverfahren
Der Ansatz ist analog zur Kühllastberechnung nach VDI 2078 /5/.
Die Temperaturen bilden sich als stündlicher Verlauf im Tagesgang ab (Bild 1). Die Raumtemperatur ist auf 26 °C stabilisiert. Die Raumgrenztemperatur (Kühlzieltemperatur) beträgt 26 °C. Die Außentemperatur schwankt (minimal ca. 23 °C, max. ca. 33 °C) und beträgt im Mittel 28,0 °C. Die Zulufttemperatur schwankt leicht und beträgt im Mittel 23,1 °C.
Die maximal auftretende Kühlleistung beträgt –1,96 kW; diese tritt ungefähr zur Mitte der Nutzungszeit um ca. 13:00 Uhr auf (Bild 2). Das Tagesmittel der Kühlleistung beträgt –0,66 kW. Als einzige Wärmesenke zur Betriebszeit wirkt die aktive Kühlung durch Raumsystem und RLT-Anlage. Wärmequellen sind die solaren Einträge von außen, interne Wärmequellen wie Personen, Geräte und Beleuchtung, sowie die Transmission durch die Außenbauteile (Außenwand, Fenster).

Zusätzlich zur Wärmebilanz des Raumes ist im Diagramm (Bild 2) auch der Beitrag der Lüftung dargestellt, aufgeteilt nach Anteil des Kühlregisters und Anteil der Kälterückgewinnung.
Mit der Methode BDD kann nun das Raumsystem für den Fall Kühllastberechnung dimensioniert werden: In unserem Beispiel ist es auf –1,37 kW dimensioniert (Bild 3).

Der Tagesgang zeigt, dass außerhalb der Nutzungszeit noch ungenutztes Potenzial zum Kühlen zur Verfügung steht, das zu diesen Zeiten allerdings nicht benötigt wird. Tagsüber tritt zeitweise eine Unterdeckung der Kühlleistung bezogen auf die Wärmebilanz des Raumes auf. Diese Unterdeckung führt aber nicht dazu, dass der thermische Komfort verlassen wird (siehe Bild 1); die maximale Raumtemperatur (Trend) beträgt ca. 26,3 °C. Gegen Ende der Nutzungszeit gibt es vier Stunden, in denen das Raumsystem nachkühlt. Damit wird die Raumtemperatur wieder auf die Solltemperatur zurückgebracht.
Kühlleistung nach BDD
Die Dimensionierung der Kühlleistung erfolgt mit dem Ansatz für Building Design Days /3/. Die Betriebsweise ist lastverschiebend (nachkühlen, vorkühlen). Die Kühlleistung wird so ausgelegt, dass der Komfort auch bei temporärer Unterdeckung sichergestellt bleibt.

Die Temperaturen bilden sich als stündlicher Verlauf im Tagesgang ab (Bild 4). Die Raumtemperatur liegt einigermaßen stabil bei 26 °C. Der Mittelwert beträgt 26,7 °C, maximal werden 27,3 °C erreicht. Um 7:00 Uhr morgens ist die Solltemperatur von 26,0 °C wiederhergestellt. Die Außentemperatur schwankt von ca. 20 °C bis ca. 36 °C und beträgt im Mittel 28,4 °C. Die Zulufttemperatur beträgt normalerweise 23 °C, aufgrund der Regelung (ab sehr hohen Außentemperaturen bewegt sich die Zulufttemperatur gleitend 6 K unterhalb der Außentemperatur) liegt sie während der Nutzungszeit temporär höher und erreicht maximal knapp 28 °C, im Mittel liegt sie bei 23,9 °C.

Die maximal auftretende Kühlleistung beträgt –2,29 kW, diese tritt ungefähr zur Mitte der Nutzungszeit auf um ca. 13:00 Uhr (Bild 5). Das Tagesmittel der Kühlleistung beträgt –0,70 kW. Als einzige Wärmesenke zur Betriebszeit wirkt die aktive Kühlung durch Raumsystem und RLT-Anlage. Wärmequellen sind die solaren Einträge, interne Wärmequellen (Personen, Geräte, Beleuchtung) und die Transmission durch die Außenbauteile (Außenwand, Fenster). Zusätzlich zur Wärmebilanz des Raumes ist im Diagramm auch der Beitrag der Lüftung dargestellt, aufgeteilt nach Anteil des Kühlregisters und Anteil der Kälterückgewinnung.
Mit der Methode BDD kann nun das Raumsystem dimensioniert werden: In unserem Beispiel ist es auf –0,64 kW dimensioniert (Bild 6). Gegenüber der Dimensionierung analog zur Kühllastberechnung wird es etwa halbiert.

Der Tagesgang zeigt, dass außerhalb der Nutzungszeit noch ungenutztes Potenzial zum Kühlen zur Verfügung steht, das zu diesen Zeiten allerdings nicht benötigt wird. Tagsüber tritt über die gesamte Nutzungszeit eine Unterdeckung der Kühlleistung bezogen auf die Wärmebilanz des Raumes auf. Trotzdem bleibt die Raumtemperatur moderat (Mittelwert 26,7 °C, max. 27,3 °C) und der thermische Komfort gilt als eingehalten (Bild 4). Außerhalb der Betriebszeit kühlt das Raumsystem weiterhin (nachkühlen, vorkühlen), sodass zu Beginn der Nutzungszeit die Solltemperatur wieder erreicht wird.

Die Zusammenstellung der Kühlleistungen von Raumsystem und Kühlregister der RLT-Anlage am Design Day Sommer (Bild 7) zeigt die Betriebsweise der beiden Systeme /11/. Nachts erfolgt nur ein minimaler Luftwechsel mit 23 °C warmer Zuluft, daher übernimmt das Bodensystem die Kühlung nahezu vollständig. Das Bodensystem läuft durchgängig an seiner Leistungsgrenze, der Maximalwert von 0,64 kW tritt zu mehreren Zeiten auf, sowohl außerhalb als auch während der Nutzungszeit. Während der Nutzungszeit wird ein beträchtlicher Teil der Kühlung vom Luftsystem übernommen.

Die Korrelation der Temperaturen über der Außentemperatur zeigt die Betriebsweisen der RLT-Anlage (Zulufttemperatur) und des Raumsystems (Vorlauftemperaturen im Heizfall und im Kühlfall). In Bild 8 dargestellt sind die Werte für ein ganzes Betriebsjahr. Man sieht die Verteilung der Raumtemperatur, die im Winter niemals unter 20 °C fällt und bei welchen Außentemperaturen im Sommer sie 26 °C und mehr erreicht. Es wird deutlich, dass die Zuluft fast immer bei konstant 23 °C gehalten wird, nur selten (ab 32 °C Außentemperatur) liegt sie höher. Das Bodensystem arbeitet bis 12 °C Außentemperatur im Heizbetrieb, die Vorlauftemperatur beträgt konstant 35 °C. Über 12 °C Außentemperatur arbeitet das Bodensystem im Kühlbetrieb, die Vorlauftemperatur bewegt sich zwischen 18 °C (bei niedrigen Außentemperaturen) und 15 °C (bei hohen Außentemperaturen). Bei sehr hohen Außentemperaturen gibt es wie beim RLT-System auch hier eine gleitende Regelung, so dass dann – selten – höhere Vorlauftemperaturen entstehen /11/.
Fazit: Die Dimensionierung des Kühlsystems mit der Methode BDD führt zu einer realistischeren Dimensionierung und damit häufig zu kleineren Leistungswerten als die konventionelle Kühllastberechnung. Es wird deutlich, dass eine gezielte Betriebsweise (z. B. Vorkühlen in den frühen Morgenstunden) einen wesentlichen Beitrag zur Dimensionierung und Effizienz leistet.
Fazit zur Leistungsdimensionierung
Zusammenfassung zu den Designkriterien zur Dimensionierung der Kühlung mit der Methode BDD:
- Prinzip: Zu Beginn der Betriebszeit muss die Solltemperatur des Raumes am Design Day Sommer wiederhergestellt werden. Dann ist der Kühlfall gelöst.
- Faustregel bzw. Empfehlung: Dimensionierung des Raumsystems für Kühlung auf das Tagesmittel der Wärmebilanz des Raumes am extremen Design Day Sommer.
Zusammenfassung der Vorteile der Dimensionierung mit Building Design Days:
- Kühlsysteme können kleiner ausgelegt werden als nach VDI 2078, ohne Komforteinbußen.
- Das BDD-Verfahren geht über die reine Lastbestimmung hinaus und bezieht auch die Raumübertragungssysteme (z. B. Bodensysteme, Kühldecken, Luftsysteme) mit ein.
- Diagramme der stündlichen Tagesgänge verdeutlichen, wie Temperatur, Raum- und Systembilanzen sowie Kühlleistungen zeitlich zusammenwirken. Dadurch wird sichtbar, wo und wann Lasten auftreten. Eine solche Transparenz bietet die das klassische Verfahren nicht. Die Transparenz der Tagesgänge macht das Ursache-Wirkungs-Prinzip verständlich. So wird der Entwurf von Betriebsstrategien (z. B. Nachtlüftung, Vorkühlung, adaptive Regelung) ermöglicht. Ein Abgleich mit Messdaten aus dem Energiemonitoring ist sinnvoll, denn dadurch gewinnen Energiemanager wertvolle Einblicke in Ursache-Wirkungs-Zusammenhänge und können die modellierten Design-Parameter – etwa zur Nutzungsstärke – so lange anpassen, bis der berechnete Lastgang mit den realen Messdaten übereinstimmt.
Die BDD-Methode ist damit nicht nur ein rechnerisches Verfahren, sondern auch ein Entwurfswerkzeug für die Planung nachhaltiger Gebäudetechnik.
Berechnung der Kühlenergie mittels Building Design Days + Energy
Im nächsten Schritt wird die Methodik auf die Energiebetrachtung über das Jahr erweitert. Mit den Building Design Days + Energy (BDD+E) lassen sich die Jahresenergien für Heizung /9/ und Kühlung ermitteln – konsistent aus denselben Eingangsparametern wie bei der Leistungsdimensionierung /3/.
Dargestellt werden u. a.:
- Jahresverläufe von Temperaturen und Leistungen
- Häufigkeitsverteilungen der Leistungsanforderungen
- Korrelationen zwischen Außentemperatur und Systemleistung
- Wochen- und Monatsbilanzen (z. B. extreme Winter- und Sommerwochen).
Damit erhält man ein vollständiges, physikalisch stimmiges Bild des Gebäude- und Systemverhaltens über das ganze Jahr.
Als Standardverfahren gibt es bisher das Gebäudeenergiegesetz (GEG) mit DIN V 18599 zur Ermittlung von Energien, diese sind allerdings per definitionem nicht zur Dimensionierung von Erzeugern geeignet /6/.
Nachdem im obigen Teil die Dimensionierung der Kühlung (Leistung) – bezogen auf das konkrete Raumübertragungssystem Bodenfläche im Zusammenspiel mit der RLT-Anlage – vorgenommen wurde, wird nun gezeigt, wie mit dem Verfahren BDD+E die Jahresenergie für die Kühlung (und Heizung) ermittelt wird.
Kühlenergie nach BDD+E
Nachfolgend wird dargestellt, wie sich Bodensystem und die resultierenden Raumtemperaturen im Jahresverlauf verhalten.

Bild 9 zeigt u. a. den angesetzten systematisierten Datensatz Climate Design Days (im Hintergrund ist der Verlauf der ursprünglichen Klimadaten vom DWD für TRY-Region 04 erkennbar, aus dem der CDD-Datensatz abgeleitet wurde) sowie die sich entwickelnde Raumtemperatur (Room Trend). Der extreme Wintertag (Design Day Winter) zur Dimensionierung der Heizleistung und der extreme Sommertag (Design Day Sommer) zur Dimensionierung der Kühlleistung werden jeweils sieben Mal (also jeweils eine Woche lang) als Randbedingung angesetzt. Die Trendkurve der Raumtemperatur zeigt, dass der Komfortbereich gar nicht (Winterfall) bzw. nicht nennenswert (Sommerfall) verlassen wird.

Bild 10 zeigt anschaulich im Jahresgang, wann das Bodensystem mit welchen Leistungen im Winter heizt (rote Kurve) und im Sommer kühlt (blaue Kurve). Die violette Kurve zeigt den Beitrag der RLT-Anlage zur Heizung und Kühlung.

Bild 11 zeigt die stündlichen Heiz- und Kühlleistungen des gesamten Jahres für das Bodensystem und die RLT-Anlage als Dauerlinien (Häufigkeitskurven). Für den Kühlfall zeigt die Wärmebilanz des Raumes einen Bedarf von –2,29 kW (blaue dünne Kurve). Das Bodensystem ist auf –0,64 kW dimensioniert und gibt den größten Teil seiner Betriebszeit auch fast diese Maximalleistung an den Raum ab (dicke blaue Kurve). Aus den stündlichen Leistungen wird die Jahresenergie ermittelt:
- Bodensystem Kühlen: –1,6 MWh/a (681 Volllaststunden).
Bewertung
Das GEG bzw. die DIN V 18599 /6/ setzt unrealistische Randbedingungen an. Mit dem GEG wird auch nicht die Absicht verfolgt, einen realistischen Energiebedarf für die Auslegung der Anlagentechnik zu ermitteln; es hat vielmehr die Intention, durch standardisierte Eingaben eine Vergleichbarkeit mit anderen Gebäuden zu ermöglichen. Mit dem Verfahren BDD+E dagegen wird der Energiebedarf möglichst realistisch abgebildet und fällt in der Regel niedriger aus.
Gesamtfazit und Ausblick
Die Methode Building Design Days + Energy stellt einen ganzheitlichen Ansatz zur Dimensionierung und energetischen Bewertung von Heizung und Kühlung sowie zur Bewertung des thermischen Komforts (letzterer wird bisher über eine weitere Norm geregelt /7/) dar. Das Verfahren kombiniert stündlich aufgelöste Tagesgänge, physikalische Bilanzierung und systematische Klimadaten zu einem Werkzeug, das Bewertung, Dimensionierung, Energieanalyse und Planung miteinander verbindet. Zu den Vorteilen der Methode BDD+E zählen u. a. die Vermeidung der Überdimensionierung durch realistische, zeitaufgelöste Betrachtung, die transparente Darstellung der Zusammenhänge zur Unterstützung beim Entwurf von Betriebsstrategien und die Anwendbarkeit sowohl in der frühen Entwurfsphase als auch im detaillierten Gebäudemodell.
Während die bisher üblichen Regelwerke – DIN EN 12831 /4/, VDI 2078 /5/, GEG /6/– Leistung und Energie strikt trennen, führt das vorgestellte Verfahren beides in einem konsistenten Ansatz zusammen. Dadurch entstehen neue Möglichkeiten für eine Harmonisierung der Normen und Richtlinien, insbesondere im Hinblick auf Nachhaltigkeit, Wirtschaftlichkeit und Planungsqualität.
Die Building Design Days ebnen damit einen praxisnahen, verständlichen und zukunftsfähigen Weg, Gebäude und Anlagentechnik gemeinsam zu denken–von der Klimadatenbasis bis zur Betriebsweise.
Literaturhinweise
/1/ DWD, 2010: Testreferenzjahre von Deutschland für mittlere, extreme und zukünftige Witterungsverhältnisse, Deutscher Wetterdienst (DWD), Handbuch, Sept. 2014
/2/ DWD, 2017: Testreferenzjahre von Deutschland für mittlere, extreme und zukünftige Witterungsverhältnisse, Deutscher Wetterdienst (DWD), Sept. 2017, Internetseite: https://kunden.dwd.de/obt/ (ortsaufgelöst für 1 km x 1 km)
/3/ klimdim, 2025: Internetseite zum wissenschaftlichen Austausch für die neuen Methoden Climate Design Days und Building Design Days + Energy (www.klimdim.de, User: Leser, Passwort: Lahme2025)
/4/ DIN EN 12831-1, 2017-09: Energetische Bewertung von Gebäuden, Verfahren zur Berechnung der Norm-Heizlast, Teil 1: Raumheizlast, Modul M3-3, Deutsche Fassung EN 12831-1:2017
/5/ VDI 2078, 2015-06: Berechnung der thermischen Lasten und Raumtemperaturen (Auslegung Kühllast und Jahressimulation)
/6/ DIN V 18599, 2018-09: Energetische Bewertung von Gebäuden, Berechnung des Nutz-, End- und Primärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung, Lüftung, Trinkwarmwasser und Beleuchtung, Teil 10: Nutzungsrandbedingungen, Klimadaten
/7/ DIN 4108-2: Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden, Teil 2: Mindestanforderungen an den Wärmeschutz, Entwurf 2024-12, 2013-02
/8/ Lahme, A.: Heizung und Kühlung realitätsnah am extremen Tagesgang dimensionieren, Teil 1: Wie aus stündlichen Klimadaten sichere Design Days für Winter, Sommer und Energie werden, Moderne Gebäudetechnik, Ausgabe 06/2025, https://www.tga-praxis.de/20250610
/9/ Lahme, A.: Heizung und Kühlung realitätsnah am extremen Tagesgang dimensionieren, Teil 2: Heizung dimensionieren – Vergleich von Normheizlast und stündlicher Bilanzierung,Moderne Gebäudetechnik, Ausgabe 09/2025
/10/ Lahme, A.: Klimawandel für die Normen, Randbedingungen früher, heute und später im Vergleich mit der Realität zur Harmonisierung,TAB, Ausgabe 12/2025
/11/ Klimatechnik, 2025: Kompendium der Lüftungs- und Klimatechnik – Band I, Helmut E. Feustel, Friedrich Sick, 3. vollständig überarbeitete und erweiterte Auflage 2025, cci Buch
Dipl.-Phys.-Ing. Andreas Lahme
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