Eine Reihe von Wetterdateien befindet sich im Lieferumfang von WUFI. Wir weisen auf die weiter unten angeführten Quellen hin, aus denen Wetterdaten für zusätzliche Standorte bezogen werden können. Sofern nicht anders angegeben, kann WUFI die betreffenden Dateiformate lesen; die Brauchbarkeit für den jeweiligen Anwendungsfall muß der Benutzer beurteilen.
Je nach Fragestellung sollten geeignet selektierte Wetterdaten verwendet werden. Ist z.B. der typische längerfristige Feuchtehaushalt eines Bauteils zu ermitteln, so sollten für den Standort repräsentative typische Wetterdaten verwendet werden. Ist für Auslegungszwecke die Gebrauchstauglichkeit oder Dauerhaftigkeit des Bauteils unter verschärften Bedingungen zu untersuchen, so sollten Wetterdaten verwendet werden, welche ein solches Belastungsszenario beschreiben. Ist die Ursache für einen konkreten Schadensfall zu untersuchen, so werden Wetterdaten aus dem entsprechenden Zeitraum für den betreffenden Standort benötigt.
Anforderungen an Qualität und Umfang
Benötigte Wetterelemente
WUFI kann eine Reihe verschiedener Wetterdatenformate lesen. Wetterdatenformate unterscheiden sich unter anderem in der Anzahl der enthaltenen Wetterelemente. Alle gängigen Wetterdatenformate enthalten Temperatur und relative Feuchte; Sonnenstrahlung ist manchmal nur als Globalstrahlung enthalten, Regen fehlt oft. Der Benutzer muss also sicherstellen, dass die zu benutzende Wetterdatei zumindest alle jene Wetterelemente enthält, welche für die beabsichtigte Simulation relevant sind. ähnliches gilt für Wetterdaten, die der Benutzer selbst beschafft, um sie in ein für WUFI lesbares Format zu bringen: er muss sicherstellen, dass er alle Wetterelemente erhält, die er für seine Simulation benötigt, und er muss ein Dateiformat wählen, welches alle diese Elemente aufnehmen kann.
Die für WUFI lesbaren Wetterdatei-Formate sind in WUFIs Online-Hilfe ausführlich beschrieben. Für neu zu erstellende Dateien bietet sich insbesondere das WAC-Format an, das in der Anzahl der enthaltenen Wetterelemente flexibel gestaltet werden kann. Für die Simulation nicht benötigte Wetterelemente müssen daher auch nicht beschafft werden.
Das WAC-Format erlaubt außerdem, gerichtete Wettergrößen (insbesondere Strahlung und Regen), die sonst von WUFI mit einfachen Modellen auf die Orientierung und Neigung des betrachteten Bauteils umgerechnet werden müssten, bereits auf die betreffende Oberfläche bezogen vorzugeben. Diese oberflächenbezogenen Daten können durch Anwendung ausgefeilterer Umrechenmodelle oder durch Messung vor Ort erzeugt worden sein.
• Temperatur, relative Feuchte
Für hygrothermische Simulationen werden in der Regel mindestens Temperatur und (sofern keine rein thermische Rechnung durchgeführt werden soll) die relative Feuchte benötigt.
• Sonnenstrahlung
Sofern nicht das Bauteil vollständig verschattet ist oder eine Rechnung „auf der sicheren Seite“ ohne das zusätzliche Trocknungspotential durch solare Erwärmung durchgeführt werden soll, ist auch die Sonnenstrahlung zu berücksichtigen.
Die Sonnenstrahlung ist eine gerichtete Größe, wirkt also auf verschieden orientierte und geneigte Oberflächen verschieden ein. Im Idealfall liegen Messdaten vor, die auf einer wie erforderlich orientierten und geneigten Fläche gemessen wurden. Wird eine Wetterdatei im WAC-Format benutzt, so können diese Daten als Messdaten deklariert werden, so dass WUFI sie unverändert übernimmt. Solche Messdaten erfassen den Strahlungseinfluss am genauesten (inklusive aller Umgebungseinflüsse wie Verschattungen, Reflexionen usw.), beschreiben aber auch nur diese individuelle Oberfläche in dieser konkreten Umgebung.
In der Regel jedoch liegen nur die auf einer horizontalen Fläche einfallenden Strahlungswerte vor. Dies ist insbesondere der Fall, wenn die Strahlungsdaten von einer normalen meteorologischen Messstation bezogen werden. Falls nicht für ein Flachdach gerechnet werden soll, muss aus den vorliegendenden „horizontalen“ Messdaten auf eine wie erforderlich orientierte und geneigte Fläche umgerechnet werden. WUFI führt diese Umrechnung während der Simulation automatisch durch. Da sich der diffuse und der direkte Strahlungsanteil unterschiedlich umrechnen, sind zur Umrechnung separate Angaben zum diffusen und direkten Strahlungsanteil notwendig. Dazu muss die Wetterdatei entweder Diffus- und Direkt- oder Diffus- und Globalstrahlung enthalten (Global = Summe aus Diffus und Direkt). Viele Wetterstationen erfassen nur die Globalstrahlung. Notfalls kann daraus die zugehörige Diffusstrahlung mit Hilfe eines statistisch-meteorologischen Modells (z.B. „Perez-Modell“) abgeschätzt werden. Soll ausschließlich für horizontale Flächen gerechnet werden, genügt notfalls die Globalstrahlung allein, da in diesem Fall keine Richtungsumrechnung erforderlich ist.
Da für die Richtungsumrechnung der jeweilige Sonnenstand bestimmt werden muss, ist auf korrekte Zeitangaben für die Strahlungsmessungen zu achten. Lief der Zeitgeber der Messdatenerfassung korrekt? Sind die Zeitangaben in Zonenzeit oder in wahrer Sonnenzeit? Auf welche Zeitzone beziehen sich die Zeitangaben (UTC, lokale Zeitzone, andere Zeitzone)? Schalten die Zeitangaben auf Sommerzeit um und wann? Handelt es sich um einzelne Messwerte, die zur vollen Stunde erfasst wurden oder handelt es sich um Mittelwerte über eine Stunde (je nachdem ist der als repräsentativ anzusehende Sonnenstand für die volle Stunde oder für die halbe Stunde zu berechnen; WUFI nimmt an, dass die halbe Stunde der repräsentative Zeitpunkt ist).
• Normalregen, Schlagregen
Falls die Regeneinwirkung untersucht werden soll oder zumindest einen nicht vernachlässigbaren Einfluss auf das Bauteilverhalten hat, sind Daten zur Regenintensität nötig. Sofern nicht für ein Flachdach gerechnet werden soll, ist der Schlagregen ausschlaggebend, der auf die betrachtete Fläche auftrifft (während der auf eine horizontale Fläche treffende Regen als „Normalregen“ bezeichnet wird).
Der Schlagregen ist eine gerichtete Größe, wirkt also auf verschieden orientierte und geneigte Oberflächen verschieden stark ein. Im Idealfall liegen Messdaten vor, die auf einer entsprechend orientierten und geneigten Fläche gemessen wurden. Wird eine Wetterdatei im WAC-Format benutzt, so können diese Daten als Messdaten deklariert werden, so dass WUFI sie unverändert übernimmt. Solche Messdaten erfassen den Schlagregeneinfluss am genauesten (inklusive aller Umgebungseinflüsse wie Umströmungsmuster, Abschattungseffekte usw.), beschreiben aber auch nur diese individuelle Oberfläche in dieser konkreten Umgebung.
In der Regel jedoch stehen lediglich Daten für den auf eine horizontale Fläche einfallenden Normalregen zur Verfügung. Dies trifft meist zu, wenn die Regendaten von einer normalen meteorologischen Messstation bezogen werden. Falls nicht für ein Flachdach gerechnet werden soll, muss aus dem vorliegenden Normalregen sowie Daten zu Windgeschwindigkeit und -richtung die Schlagregeneinwirkung auf die geneigte Fläche abgeschätzt werden. WUFI führt diese Abschätzung während der Simulation automatisch durch.
• Wind
Daten über die Windrichtung und -geschwindigkeit werden nur benötigt, wenn der Schlagregen aus gegebenem Normalregen abgeschätzt werden soll oder wenn mit windabhängigem Wärmeübergangskoeffizienten gerechnet werden soll.
• Atmosphärische und terrestrische langwellige Gegenstrahlung
Eine Bauteiloberfläche steht immer auch im langwelligen („thermischen“) Strahlungsaustausch mit ihrer Umgebung. Die Bauteiloberfläche gibt aufgrund ihrer Temperatur thermische Strahlung in die Umgebung ab. Sie erhält ihrerseits aus der Umgebung thermische Einstrahlung (sogenannte Gegenstrahlung), und zwar die terrestrische Gegenstrahlung als Wärmestrahlung des Erdbodens und anderer terrestrischer Gegenstälnde, sowie die atmosphärische Gegenstrahlung als Wärmestrahlung der Atmosphäre.
In der bauphysikalischen Praxis wird dieser strahlungsbedingte Wärmeaustausch meist nicht separat angesetzt, sondern näherungsweise durch einen pauschalen Zuschlag auf den konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten berücksichtigt. Für die meisten bauphysikalischen Berechnungen ist diese Näherung ausreichend und WUFI benutzt sie daher auch bei Berechnungen im Standardmodus („explizite Strahlungsbilanz“ ausgeschaltet). In diesem Fall werden keine Daten zur atmosphärischen oder terrestrischen Gegenstrahlung benötigt.
Für manche Anwendungen jedoch muss der langwellige Strahlungsaustausch explizit und separat berücksichtigt werden. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn höhere Ansprüche an die Genauigkeit der berechneten Oberflächentemperaturen gestellt werden.
Außerdem setzt die übliche Berücksichtigung duch einen Zuschlag auf den konvektiven Wärmeübergangskoeffizienten voraus, dass konvektiver und strahlungsbedingter Wärmestrom in dieselbe Richtung laufen, was oft, aber nicht immer der Fall ist. Insbesondere bei nächtlicher Unterkühlung der Oberfläche geht Strahlungswärme von der Oberfläche an den Himmel verloren, während der konvektive Wärmestrom umgekehrt von der wärmeren Luft zur kühleren Oberfläche fließt. Soll also die nächtliche Unterkühlung mit ihren Auswirkungen auf Betauung oder (besonders bei Flachdächern) verringertes Trocknungspotential in der Simulation berücksichtigt werden, so muss WUFI auf Berechnung der „expliziten Strahlungsbilanz“ umgeschaltet werden.
Als Konsequenz muss der Benutzer dann aber auch Daten zur langwelligen Ausstrahlung der Atmosphäre und des Erdbodens (sofern solcher sich im Gesichtsfeld des Bauteils befindet) bereitstellen. Im Idealfall liegen Messdaten vor, die auf einer entsprechend orientierten und geneigten Fläche gemessen wurden. Wird eine Wetterdatei im WAC-Format benutzt, so können diese Daten als Messdaten deklariert werden, so dass WUFI sie unverändert übernimmt. Solche Messdaten erfassen die langwellige Einstrahlung am genauesten (inklusive aller Umgebungseinflüsse, Berücksichtigung aller individuellen atmosphärischen und terrestrischen Flächen und Objekte im Gesichtsfeld der Bauteiloberfläche usw.), beschreiben aber auch nur diese individuelle Oberfläche in dieser konkreten Umgebung.
In der Regel jedoch stehen lediglich Daten zu der auf eine horizontale Fläche einfallenden atmosphärischen Gegenstrahlung zur Verfügung. Dies trifft meist zu, wenn die Daten von einer normalen meteorologischen Messstation bezogen werden. Falls nicht für ein Flachdach gerechnet werden soll, muss aus der vorliegenden atmosphärischen sowie der gemessenen oder berechneten terrestrischen Gegenstrahlung auf die Gesamteinstrahlung für die geneigte Fläche umgerechnet werden. WUFI führt diese Umrechnung während der Simulation automatisch durch.
Da es oft wünschenswert ist, Unterkühlung berücksichtigen zu können, Gegenstrahlungsdaten aber selten zur Verfügung stehen, kann WUFI atmosphärische und terrestrische Ausstrahlung ersatzweise auch auf verschiedene Weise aus anderen Wetterelementen abschätzen. Dafür können je nach den zur Verfügung stehenden Elementen verschiedene vereinfachte Modelle benutzt werden. Die atmosphärische Gegenstrahlung kann z.B. aus stündlichen Daten zum Bedeckungsgrad geschätzt werden, falls diese vorhanden sind. Stehen solche Daten auch nicht zur Verfügung, kann ein vom Benutzer eingegebener konstanter Bedeckungsgrad verwendet werden (siehe die Online-Dokumentation zum WAC-Wetterdatenformat für Details). Die Genauigkeit dieser einfachen Schätzverfahren nimmt allerdings ab, je mehr Vereinfachungen getroffen werden müssen. Es liegt in der Verantwortung des Benutzers, Daten mit einem ausreichenden Genauigkeitsgrad zur Verfügung zu stellen, so dass auch die Rechenergebnisse den benötigten Genauigkeitsgrad erreichen. Im Zweifelsfall können Testsimulationen helfen, die Sensitivität der beabsichtigten Untersuchungen bezüglich unterschiedlicher Qualitätsgrade der Eingangsdaten abzuschätzen.
• Luftdruck
Der Luftdruck ist für hygrothermische Simulationen in der Regel von minderer Bedeutung. Er hat einen geringen Einfluss auf den Dampftransport (der Diffusionsleitkoeffizient in Luft ist leicht druckabhängig). Falls kein Luftdruck in den Wetterdaten enthalten ist, schätzt WUFI einen typischen Luftdruck aus der Höhenlage des Ortes. Falls diese nicht bekannt ist, benutzt WUFI einen Standard-Luftdruck.
Zusammenfassung
Um einen Mehrzweck-Standarddatensatz in einer häufig verwendeten Form zu erstellen, bieten sich meist die farbig hinterlegten Wetterelemente an. Je nach Umfang der zur Verfügung stehenden Daten oder speziellem Verwendungszweck sind natürlich auch anders zusammengestellte Datensätze möglich.
Datensätze mit Messdaten, die auf einer wie erforderlich orientierten und geneigten Oberfläche gewonnen wurden, beschreiben die Umwelteinflüsse am genauesten, sind aber nur für die betreffende Oberfläche verwendbar.
Dateien, welche die üblichen auf horizontalen Empfangsflächen gemessenen Wetterelemente enthalten, sind Allzweckdateien, die für beliebig geneigte und orientierte Oberflächen verwendbar sind. Die notwendige Umrechnung der gerichteten Wetterelemente auf nichthorizontale Oberflächen hat Genauigkeitseinbußen zur Folge, die für die Mehrzahl der hygrothermischen Simulationen jedoch unerheblich sind.
| • | Außenlufttemperatur | ||
| immer benötigt (außer für rein hygrische Rechnungen) | |||
| • | Außenluftfeuchte | ||
| immer benötigt (außer für rein thermische Rechnungen) | |||
| • | Sonnenstrahlung | ||
| immer benötigt (außer wenn für vollständig beschattete Bauteile oder “ auf der sicheren Seite“ ohne das zusätzliche Trocknungspotential durch solare Erwärmung gerechnet werden soll) | |||
| Falls für ein Flachdach gerechnet werden soll: | • Globalstrahlung auf horizontaler Empfangsfläche. | ||
| Sonst, mit abnehmender Präferenz: | • Globalstrahlung, gemessen auf einer wie erforderlich orientierten und geneigten Empfangsfläche. Steht selten zur Verfügung und ist auch nur für die betreffende Oberfläche verwendbar. Wird von WUFI unverändert übernommen. | ||
| • eine Kombination aus Global+Diffus oder Direkt+Diffus oder Direktnormal+Diffus, gemessen auf einer horizontalen Empfangsfläche. Wenn Wetterstationen mehr als die Globalstrahlung messen, dann meist Global+Diffus. WUFI rechnet die Strahlung mit einem einfachen Modell auf die gewünschte Richtung um. | |||
| • Globalstrahlung auf einer horizontalen Empfangsfläche, Diffusstrahlung kann über Perez-Modell geschätzt werden. Viele Wetterstationen messen nur die Globalstrahlung. WUFI rechnet die Strahlung mit einem einfachen Modell auf die gewünschte Richtung um. | |||
| • | Regen | ||
| wird benötigt, wenn die Regeneinwirkung untersucht werden soll oder zumindest einen nicht vernachlässigbaren Einfluss auf das Bauteilverhalten hat. | |||
| Falls für ein Flachdach gerechnet werden soll: | • Normalregen Wird von WUFI unverändert übernommen. | ||
| Sonst, mit abnehmender Präferenz: | • Schlagregen, gemessen auf einer wie erforderlich geneigten und orientierten Oberfläche. Steht selten zur Verfügung und ist auch nur für die betreffende Oberfläche verwendbar. Wird von WUFI unverändert übernommen. | ||
| • Normalregen, Windgeschwindigkeit und -richtung. Werden von WUFI zur Abschätzung des Schlagregens über ein einfaches Modell verwendet. | |||
| • | Windrichtung, -geschwindigkeit | ||
| werden nur benötigt, wenn Schlagregen aus Normalregen abgeschätzt werden muss oder wenn mit windabhängigem Wärmeübergangskoeffizienten gerechnet werden soll. | |||
| • | Langwellige atmosphärische und terrestrische Gegenstrahlung | ||
| werden nur benötigt, wenn Oberflächentemperaturen mit höherer Genauigkeit berechnet werden sollen und/oder wenn nächtliche Unterkühlung in der Simulation berücksichtigt werden soll. | |||
| Falls für ein Flachdach gerechnet werden soll: | • atmosphärische Gegenstrahlung auf eine horizontale Empfangsfläche. Wird von WUFI unverändert übernommen. | ||
| Sonst, mit abnehmender Präferenz: | • langwellige Einstrahlung (Summe aus atmosphärisch und terrestrisch), gemessen auf einer wie erforderlich geneigten und orientierten Empfangsfläche. Steht selten zur Verfügung und ist auch nur für die betreffende Oberfläche verwendbar. Wird von WUFI unverändert übernommen. | ||
| • atmosphärische und terrestrische Gegenstrahlung auf eine horizontale Empfangsfläche. Werden von WUFI mit einem vereinfachten Modell auf die benötigte Neigung umgerechnet. | |||
| • atmosphärische Gegenstrahlung auf eine horizontale Empfangsfläche. WUFI schätzt die terrestrische Gegenstrahlung unter der Annahmne, dass die terrestrischen Objekte Lufttemperatur haben und rechnet dann atmosphärische und terrestrische Gegenstrahlung mit einem einfachen Modell auf die benötigte Neigung um. | |||
| • Bedeckungsgrad und terrestrische Gegenstrahlung auf eine horizontale Empfangsfläche. WUFI schätzt die atmosphärische Gegenstrahlung aus Lufttemperatur, Luftfeuchte und Bedeckungsgrad; rechnet dann atmosphärische und terrestrische Gegenstrahlung mit einem einfachen Modell auf die benötigte Neigung um. | |||
| • Bedeckungsgrad. WUFI schätzt atmosphärische und terrestrische Gegenstrahlung aus Lufttemperatur, Luftfeuchte und Bedeckungsgrad; rechnet beide dann mit einem einfachen Modell auf die benötigte Neigung um. | |||
| • konstanter Bedeckungsgrad. Wie in den letzten beiden Punkten; WUFI benutzt statt stündlicher Daten zum Bedeckungsgrad jedoch einen vom Benutzer eingegebenen konstanten Wert. | |||
| • | Luftdruck | ||
| kann berücksichtigt werden, ist aber letztlich optional. Wird bei Fehlen pauschal aus der Stationshöhe geschätzt, bei deren Fehlen durch einen Standardwert ersetzt. Kann sich auf Stationshöhe oder Meereshöhe beziehen. | |||
Zeitlicher Umfang
Die von Wetterdiensten oder anderen Quellen abgegebenen Wetterdatensätze umfassen üblicherweise ein Jahr. Für eine hygrothermische Simulation ermöglicht dies die Berücksichtigung des während eines Jahres auftretenden Spektrums an hygrothermischen Randbedingungen. Für einige Untersuchungen können kürzere Zeiträume ausreichend sein.
Für Untersuchungen, die sich über mehrere Jahre erstrecken, ist es in der Regel ausreichend, ein und dasselbe Jahr entsprechend oft zu wiederholen, sofern dieses für den Untersuchungszweck hinreichend repräsentativ ist. Falls WUFI auf das Ende der Wetterdatei trifft, bevor das Ende des zu berechnenden Zeitraums erreicht ist, springt es an den Beginn der Datei zurück und liest die Datei ggf. so oft, bis der Rechenendpunkt erreicht ist. Da WUFI keinen Schalttag berücksichtigt und die Wetterdatei auch keinen enthalten darf, ergibt sich dabei keine zunehmende Verschiebung zwischen Kalenderzählung und Wetterdatei.
WUFI kann mit einer beliebigen Rechenschrittweite arbeiten, sie muss jedoch mit der Zeitschrittweite der Klimadaten abgestimmt sein (in einem Klimadatenschritt muss eine ganzzahlige Anzahl von Rechenschritten enthalten sein). Wetterdaten sind meistens in Stundenschritten erhältlich. Dies ist auch eine angemessene Schrittweite für die meisten hygrothermischen Simulationen. Hygrothermische Vorgänge sind in der Regel so langsam, dass eine kürzere Rechenschrittweite nur überflüssigen Rechenaufwand bedeuten würde. Andererseits müssen rasch veränderliche Randbedingungen wie Regen und Sonnenstrahlung in ihrer Dauer einigermaßen realistisch wiedergegeben werden. Ein Stundenraster ist hierfür meist ausreichend.
Genauigkeitsanforderungen
In der Regel dürfte die Genauigkeit der von professionellen Wetterstationen gelieferten Daten für WUFI-Simulationen völlig ausreichend sein. Sind quantitative Vergleiche der Simulationsergebnisse mit gemessenen Daten beabsichtigt, so wird etwas mehr Aufmerksamkeit auf ausreichende Genauigkeit zu richten sein, allgemeine hygrothermische Simulationen jedoch stellen geringere Ansprüche an die Wetterdaten als z.B. meteorologische oder klimatologische Analysen. Es ist insbesondere zu bedenken, dass die Einwirkung der Wetterelemente auf das Bauteil neben der Stärke des Wetterelements zusätzlich durch Übergangskoeffizienten wie z.B. Strahlungsabsorptionsgrad, Wärmeübergangskoeffizient u.a. bestimmt wird, für welche oft nur genäherte oder pauschal geschätzte Werte zur Verfügung stehen. Eine gesteigerte Genauigkeit der Wetterdaten würde daher nur in sehr geringem Umfang zu einer weiteren Steigerung der Genauigkeit der Wettereinwirkung führen.
So ist bei der Sonnenstrahlung zu bedenken, dass diese zunächst mit Hilfe eines Modells auf die jeweilige Orientierung und Neigung des Bauteils umgerechnet werden muss. Das Modell macht insbesondere vereinfachende Annahmen betreffs der Verteilung der Diffusstrahlung über den Himmel. Befindet sich Erdboden im Gesichtsfeld des Bauteils, so ist es meist schwierig, dessen Reflexionsgrad für die Sonnenstrahlung richtig abzuschätzen (der sichtbare Boden kann aus Flächen mit unterschiedlichen und teilweise richtungsabhängigen Reflexionsgraden zusammengesetzt sein, mit veränderlicher Vegetation oder veränderlicher Schneedecke bedeckt sein…). Verschattungen der Bauteiloberfläche (oder auch des Erdbodens, welcher reflektierte Strahlung beiträgt) sind nicht berücksichtigt. Der vom Bauteil absorbierte Anteil der Sonnenstrahlung wird durch einen konstanten Absorptionsgrad beschrieben, der z.B. keine Feuchte- oder Richtungsabhängigkeit berücksichtigt und meist auch zahlenmäßig nur grob geschätzt werden kann.
Auch die von WUFI für die Abschätzung des Schlagregens verwendeten Modelle sind stark vereinfacht und es ist nicht zu erwarten, dass sie eine quantitativ strikt korrekte Bestimmung der Schlagregenmenge liefern können. Dazu kommt, dass der Einfluss der Umgebung (exponierte / geschützte Lage, aus höheren Fassadenbereichen herablaufendes Wasser) nur sehr summarisch durch vom Benutzer einzugebende Parameter berücksichtigt werden kann. Ein weiterer vom Benutzer zu wählender Parameter beschreibt Verluste aufgrund des teilweisen Wegspritzens des auf die Oberfläche treffenden Schlagregens und kann meist auch nur grob geschätzt werden.
Andererseits sind moderne Bauteiloberflächen in der Regel wenig saugfähig, so dass nur ein geringer Teil des auftreffenden Schlagregens vom Bauteil aufgenommen werden kann (der nicht aufgenommene Rest läuft ab, ohne weiter berücksichtigt zu werden). In diesen Fällen ist es unerheblich, ob die auftreffende Schlagregenmenge korrekt bestimmt oder über- bzw. unterschätzt wurde, solange sie nur oberhalb der Aufnahmekapazität der Bauteiloberfläche liegt: Die Fassade nimmt auf, was sie aufsaugen kann, der Rest läuft ab und seine genaue Menge spielt keine Rolle. Daher sind die einfachen von WUFI benutzten Schlagregenmodelle in der Regel ausreichend.
Stark saugende und gleichzeitig stark exponierte Oberflächen wie z.B. ein Ziegelsichtmauerwerk können unter Umständen höhere Ansprüche an die Genauigkeit der Schlagregenmenge stellen. Falls die von WUFI abgeschätzten Schlagregenmengen hierfür nicht genau genug sind, muss der Benutzer an Ort und Stelle gemessene Schlagregendaten verwenden oder den Schlagregen über ein detaillierteres Modell bestimmen. Werden diese Daten in einer WAC-Datei als „gemessen“ deklariert, übernimmt WUFI die Werte unverändert.
Datenlücken können in der Regel einfach durch einigermaßen plausibel interpolierte Daten gefüllt werden, sofern nicht ein für die Untersuchung wesentliches Ereignis, z.B. ein Sturm mit erheblichem Schlagregeneintrag, in der Lücke lag und mit aufwendigeren Methoden rekonstruiert werden muss.
Da die zu simulierenden hygrothermischen Vorgänge in der Regel verhältnismäßig träge sind, reagiert das Bauteil nur in geringem Maße auf kurzfristige Einwirkungen. Sein Verhalten wird meist eher durch längerfristige Temperatur- und Feuchtemittelwerte bestimmt (eine Ausnahme wäre z.B. ein einzelner schadensträchtiger Schlagregeneintrag). Daher können kurze und unter Umständen auch längere Lücken meist toleriert werden, sofern sie mit typischen oder gemittelten Daten so gefüllt werden, dass sich das Bauteil nach der Lücke auf einem ähnlichen Temperatur- und Feuchteniveau befindet, wie es unter Benutzung der realen Daten der Fall gewesen wäre.
Fehlende Stunden können in diesen Fällen durch Interpolation zwischen vorhandenen Stundenwerten gefüllt werden. Fehlende Tage können oft durch ähnliche benachbarte Tage ersetzt werden. Möglicherweise genügen auch konstante, den typischen Mittelwerten entsprechende Fülldaten.
Bestehen Zweifel daran, wie stark Unsicherheiten in den Wetterdaten sich auf das Simulationsergebnis auswirken und ob genauere Daten als vorhanden notwendig sind, so können Testrechnungen mit im Rahmen ihrer jeweiligen Unsicherheit variierten Wetterdaten die Sensitivität der Rechenergebnisse gegenüber diesen Unsicherheiten in den Ausgangsdaten feststellen.
Typische Wetterdaten
Gemessene Wetterdaten
Zur Erstellung eines typischen Wetterdatensatzes wird oft ein als „typisch“ anzusehendes Jahr nach geeigneten Kriterien aus einer längeren Messreihe ausgewählt. Gelegentlich wird auch ein „typisches“ Jahr aus „typischen“ Monaten oder anderen Zeitperioden zusammengesetzt, welche aus verschiedenen Jahren stammen können. Das resultierende Wetterjahr hat dann in dieser Form nie existiert, soll jedoch so gut wie möglich „typische“ Verhältnisse abbilden.
Der Vorteil einer Selektion von Teilreihen aus gemessenen Datenreihen liegt darin, dass die Daten real sind, also ein mögliches Wetter darstellen und damit insbesondere einige Eigenschaften auf realistische Weise bewahren, wie z.B.:
- Abfolge und Häufigkeit typischer Wetterabläufe wie beispielsweise
- Großwetterlagen,
- herbstliche Nebellagen,
- sommerliche Gewitter mit nachfolgendem Sonnenschein (führt zu Umkehrdiffusion),
- Frost-Tau-Wechsel
- etc.
- tägliche Temperatur-, Feuchte- und Strahlungsprofile
- kurz- und langfristige Schwankungsbreiten
- Korrelationen zwischen den einzelnen Wetterelementen
Der Nachteil einer solchen Selektion liegt darin, dass eine selektierte reale Wettersequenz kaum jemals für alle Wetterelemente typisch sein kann, also kaum gleichzeitig typische Verläufe für Temperatur, Feuchte, Regen, Wind, etc. enthalten kann. Bei der Auswahl müssen daher Kompromisse eingegangen werden. Zahlreiche bestehende „Testreferenzjahre“ sind auf diese Weise zum Zwecke energetischer Untersuchungen erstellt worden, weshalb das Augenmerk hauptsächlich auf typische Temperaturen gelegt wurde. Da für zahlreiche (aber nicht alle) feuchtetechnischen Untersuchungen die Ergebnisse ebenfalls von den Temperaturverhältnissen dominiert werden, können thermisch selektierte Testreferenzjahre oft auch für allgemeine hygrothermische Simulationen als repräsentativ für typische Verhältnisse angesehen werden. Dies ist jedoch im Einzelfall vom Benutzer zu entscheiden.
Neben einem einzelnen als typisch ausgewählten Jahr kann auch ein mehrjähriger Datensatz verwendet werden, da für einen Zeitraum von z.B. zehn Jahren nichts repräsentativer sein kann als diese zehn Jahre selbst. Gegenüber einem einzelnen Jahr bietet ein mehrjähriger Datensatz auch ein breiteres Spektrum an Wettersituationen. Dies schließt auch extremere aber seltener auftretende Belastungssituationen ein, so dass ein solcher Zeitraum, obwohl ‚typisch‘, gleichzeitig auch für Auslegungszwecke benutzt werden kann (siehe unten).
Synthetische Wetterdaten
Es besteht auch die Möglichkeit, stündliche Wetterdaten künstlich zu erzeugen. Es existieren beispielsweise verschiedene Modelle, welche ausgehend vom astronomischen Sonnenstand und unter Beiziehung von Daten zum Bewölkungsgrad und zur atmosphärischen Trübung die solare Einstrahlung abschätzen. Andere Modelle (z.B. das ‚Perez-Modell‘) können anhand empirisch ermittelter Korrelationsfunktionen aus der gemessenen Globalstrahlung die zugehörige Diffusstrahlung schätzen.
Manche Testreferenzjahre enthalten eine Kombination aus gemessenen und mittels synthetischer Modelle ergänzten Wetterelementen. Es ist auch möglich, einen jährlichen Datensatz vollständig synthetisch zu erzeugen, indem z.B. auf vorgegebene monatliche Mittelwerte durch geeignete Modelle realitätsnahe Tagesschwankungen aufgeprägt werden. Solche Modelle werden meist eine physikalische Komponente enthalten, welche einen realistischen Tagesgang erzeugt (und dabei insbesondere den Zusammenhang mit anderen Elementen berücksichtigt, z.B. den Zusammenhang des Temperaturgangs mit der solaren Einstrahlung, den Zusammenhang der solaren Einstrahlung mit dem Bewölkungsgrad usw). Eine zufallsgesteuerte Komponente des Modells kann zusätzlich eine zufällige Variationsbreite in dem zu erwartenden Rahmen erzeugen.
Auf diese Weise lässt sich erreichen, dass die Mittelwerte der erzeugten Wetterelemente mit den langfristigen Mitteln des Standortes übereinstimmen, dass gleichzeitig realistische stündliche Variationen durchlaufen werden und die Korrelationen der Wetterelemente untereinander gewahrt bleiben. Die zu erzielende Realitätsnähe hängt von der Qualität der verwendete Modelle ab und ist in der Regel nicht für alle Aspekte gleichermaßen gegeben.
Wetterdaten für Auslegungszwecke
Untersuchungen, welche zu Auslegungszwecken dienen, testen die Fähigkeit eines Bauteils, auch extremeren Belastungen standzuhalten. Dazu kann entweder die Schadensfreiheit unter einer definierten Belastung nachgewiesen oder die Belastungsgrenze bis zum Versagen explizit ausgelotet werden. Für diese Zwecke ist ein typisches Wetterjahr in der Regel nicht geeignet; vielmehr ist ein Jahr auszuwählen, welches eine geeignete ausgeprägtere Belastung auf das Bauteil ausübt. Je nach zu untersuchendem Schadensszenario sind unterschiedliche Schadensmechanismen zu provozieren, z.B.:
- übermäßige Kondensation im Bauteil
(in kaltem bis gemäßigtem Klima: Innenluftfeuchte dringt in die winterkalte Wand ein; in tropischem Klima: Außenluftfeuchte dringt in die von der Klimaanlage gekühlte Wand ein), - übermäßige Aufnahme von Regenwasser
(in einer schlagregenreichen Region und bei ungeschützter Lage des Bauteils auf der Wetterseite des Gebäudes). - Frostschäden
(d.h. häufige Frost-Tau-Wechsel in einem nicht zu kalten Winter), - Befall durch Algen oder Pilze, Auftreten von Holzfäule
(verursacht durch mangelndes Trocknungspotential, zu offene oder zu dichte Bauteile, unplanmäßig eindringende Feuchte, etc.)
Es sind verschiedene Methoden und Kriterien zur Auswahl oder Erzeugung geeigneter Wetterdaten möglich. Soll z.B. lediglich ermittelt werden, ob das Bauteil dem typischen Wetter standhält, das an dem zu erwartenden Standort mit der stärksten Beanspruchung auftreten wird, so genügt die Auswahl repräsentativer Wetterdaten für diesen Standort.
Soll die Standhaftigkeit unter extremeren Bedingungen getestet werden, um eine Sicherheitsmarge zu behalten, so können Beanspruchungssituationen einfach dadurch erzeugt werden, dass für den vorliegenden oder den extremsten zu erwartenden Standort mehrjährige gemessene Datenreihen verwendet werden. Diese enthalten automatisch das gesamte Spektrum zu erwartender Normal- und Belastungsszenarien mit den zu erwartenden Häufigkeiten. DIN EN 15026 empfiehlt dies als die geeignetste Datenquelle und schlägt vor, z.B. zehn (möglichst auch mehr) gemessene Jahre zu verwenden. Dies hat den Vorteil, dass tatsächlich real gemessene Wetterabläufe zur Simulation verwendet werden. Eine Zehnjahresperiode wird in der Regel auch Extremsituationen enthalten, welche mit einer Häufigkeit von einmal in zehn Jahren zu erwarten sind (eine statistische Voruntersuchung der Daten kann sicherstellen, dass dies in der verwendeten Datensequenz auch tatsächlich der Fall ist). Ein solcher Datensatz enthält neben den gelegentlich auftretenden Belastungsperioden auch realistisch verteilte Erholungsperioden, was für Auslegungszwecke erwünscht oder unerwünscht sein kann.
Alternativ und mit geringerem Rechenaufwand kann ein einzelnes geeignet selektiertes oder erzeugtes „Auslegungsbezugsjahr“ verwendet werden, welches innerhalb eines einzigen Jahres die stärkste Belastung des Bauteils repräsentiert, die z.B. einmal in 10 Jahren zu erwarten ist. Je nach zu prüfendem Schadensmechanismus kann dies ein besonders warmes oder kaltes, feuchtes oder trockenes Jahr sein. Dazu kann ein einzelnes die gewünschten Kriterien erfüllendes Jahr aus einer vieljährigen Messreihe selektiert werden. Es kann auch ein synthetisch erstelltes Jahr verwendet werden, bei dem die stündlich erzeugten Wetterelemente nicht von den langfristigen Mittelwerten sondern von den gewünschten Extremwerten abgeleitet werden.
Eine Mittelstellung zwischen gemessen und synthetisch nehmen gemessene Jahre ein, welche durch geeignete Modifikation von ursprünglich typischen Wetterelementen extremer gemacht wurden, z.B. durch Vergrößerung der gemessenen Regenmengen und Windgeschwindigkeiten um einen bestimmten Faktor. Da viele Schadensmechanismen mit besonders hohen oder tiefen Temperaturen einhergehen, bietet sich insbesondere eine Verschiebung der gemessenen Temperaturen an. Die DIN EN 15026 schlägt hierzu eine Verschiebung der Temperaturen von +-2K vor, dies repräsentiere Jahre, wie sie wahrscheinlich einmal in zehn Jahren auftreten. Die relative Feuchte bleibt dabei unverändert.
Gemäß DIN EN 15026 wird „eine Ausfallhäufigkeit von einmal in zehn Jahren in der Regel als zulässig angesehen“, so dass die Stärke der Prüfbelastung sich an Belastungsszenarien orientieren kann, die etwa einmal in zehn Jahren auftreten. Bei „sensiblen Anwendungen, wie zum Beispiel in Rechenzentren, Kunstgalerien oder Krankenhäusern“ sind eventuell auch schärfere Belastungsszenarien notwendig.
Gelegentlich können Belastungssituationen auch bei Benutzung typischer Wetterdaten erzeugt werden. Durch Änderung des Absorptionsgrades der Bauteiloberfläche kann eine geringere oder stärkere Sonneneinstrahlung simuliert werden, was einem verringerten Trocknungspotential bzw. einem verstärkten Diffusionsantrieb ins Bauteilinnere entspricht. Durch Änderung der Schlagregenkoeffizienten oder des anhaftenden Regenanteils kann die Regenbelastung verändert werden. Die Veränderung solcher Modellparameter ändert nicht die Häufigkeit der Belastungssituationen, aber ihre Intensität.
Wetterdaten für individuelle Situationen:
Für einen individuellen Standort und Zeitraum gemessene Wetterdaten sind zu verwenden, wenn beispielsweise
- die Ursache für einen vorliegenden Bauschaden untersucht werden soll (‚forensische‘ Simulationen),
- experimentbegleitend Messungen am Objekt durch Simulationen ergänzt werden sollen oder
- für die Validierung eines Simulationsmodells ein Vergleich von Messung und Rechnung vorgenommen werden soll.
In solchen Fällen kann es ausreichend sein, die Wetterdaten für den betreffenden Zeitraum von einer hinreichend nahe gelegenen Wetterstation zu beziehen. Oft wird es aber notwendig sein, die Daten durch eigene Messungen vor Ort zu erfassen. Messungen sind auch dann notwendig, wenn die Strahlungs- und/oder Regenbelastung der Oberfläche genauer bestimmt werden muss, als es mit Umrechenmodellen möglich ist.
Quellen für Wetterdaten
Deutsche Testreferenzjahre (2011)
Neben den mit freundlicher Genehmigung des Deutschen Wetterdienstes mitgelieferten Deutschen Testreferenzjahren in den Ausgaben von 1986 und 2004 kann WUFI auch die 2011er Testreferenzjahre des DWD lesen.
Diese neuen Testreferenzjahre (TRYs) für die 15 deutschen TRY-Klimaregionen wurden aus Wettermessreihen von 1988 bis 2007 abgeleitet und berücksichtigen so den bis dahin eingetretenen Einfluß der Klimaerwärmung. Neben den mittleren Jahren wurden auch Extremjahre mit einem extrem warmen Sommerhalbjahr bzw. extrem kalten Winterhalbjahr erstellt.
Ein mit dem Datensatz geliefertes Tool erlaubt dem Benutzer, die vorliegenden Dateien an weitere Szenarien anzupassen:
- Den Originaldaten kann der Wärmeinsel-Effekt von Städten wählbarer Größe aufgeprägt werden.
- Falls die Höhenlage des betrachteten Standortes stark von der Höhe der Repräsentanzstation für die jeweilige Klimaregion abweicht, können korrigierte Testreferenzjahre erzeugt werden, welche den Einfluss des Höhenunterschiedes auf Lufttemperatur und Wasserdampfgehalt berücksichtigen.
- Zur Berücksichtigung der künftigen Klimaerwärmung können Dateien erzeugt werden, die dem erwarteten Temperaturniveau der Jahre 2021 bis 2050 entsprechen (wiederum als typische oder extreme Jahre).
Diese Testreferenzjahre enthalten keine quantitativen Regendaten, sind also nicht für solche hygrothermischen Simulationen geeignet, bei welchen der Einfluss von Regen berücksichtigt werden muss.
Die 2011er Testreferenzjahre können hier kostenlos heruntergeladen werden:
„Aktualisierte und erweiterte Testreferenzjahre (TRY) von Deutschland für mittlere und extreme Witterungsverhältnisse“
www.bbsr.bund.de
Österreichische Testreferenzjahre
Neben den drei mitgelieferten österreichischen Wetterdateien stehen auch Wetterdaten für zahlreiche andere österreichische Orte zur Verfügung.
Der Vertrieb erfolgt über
| QUADRUPLE-M Elsässer GmbH Technisches Büro für Bauphysik GF Dr. Manfred Elsässer Erzherzog-Eugen-Straße 14/1 A-6020 Innsbruck | ||
| Tel. und Fax | +43 512 251401 | |
| Fax | +43 512 378550 | |
| Mobil | +43 664 4324814 | |
| office@quad-m.at oder manfred.elsaesser@uibk.ac.at | ||
Japanische Wetterdaten
Es stehen Wetterdateien für insgesamt 842 japanische Orte zur Verfügung (Expanded AMeDAS Weather Data).
Solche Dateien können bezogen werden über
(http://f-ei.jp/archives/wufi_pro/)
Die entsprechenden Orte sind in WUFIs Auswahlkarte bereits vordefiniert (siehe dort für eine Liste der Orte). Die betreffenden Dateien müssen nur in WUFIs Climate-Verzeichnis kopiert werden, wo sie von WUFI beim nächsten Start erkannt werden. Sie können dann einfach über die Auswahlkarte aufgerufen werden.
METEONORM:
Die Firma METEOTEST bietet mit METEONORM ein Programm zur Erzeugung synthetischer stündlicher Wetterdaten für weltweit beliebige Standorte, basierend auf gemessenen langfristigen Mittelwerten:
„Normalerweise können Messdaten nur in der Nähe einer Wetterstation verwendet werden. Anderswo müssen die Daten zwischen verschiedenen Stationen interpoliert werden. Die ausgefeilten Interpolationsmodelle innerhalb meteonorm erlauben eine zuverlässige Berechnung der Sonnenstrahlung, Temperatur und weitere Parameter für jeden Ort der Welt.“
„Ausgehend von den monatlichen Werten (Stationsdaten, interpolierte Daten oder importierte Daten), berechnet meteonorm stündliche Werte aller Parameter mit Hilfe eines stochastischen Modells. Die resultierende Zeitreihe entspricht einem ‚typischen Jahr‘.“
Zielgruppe ist hauptsächlich „Simulations-Software für Solarenergie-Anwendungen und Gebäudeplanung“. Meteonorm kann unmittelbar Wetterdateien in WUFIs WAC-Format erzeugen. Über die Webseite können auch Dateien für einzelne Standorte bestellt werden, ohne das Programm zu erwerben (Format „WUFI/WAC“ angeben).
Die so erzeugten Dateien sind eine bequeme, einheitliche und kostengünstige Quelle von Wetterdaten für beliebige Standorte. Den bisherigen Erfahrungen gemäß sind sie in der Regel gut für hygrothermische Simulationen geeignet. Lediglich in Fällen, in denen die Qualität der Schlagregendaten für die Simulation relevant ist, sollte die Eignung dieser Daten für den vorliegenden Fall vorher geprüft werden, da die Wind- und Regen-Modelle nur bedingt darauf ausgelegt sind, die Intensitäts- und Richtungsverteilung von Schlagregenereignissen realistisch zu reproduzieren und den Einfluss lokaler topographischer Gegebenheiten gar nicht berücksichtigen.
EPW-Dateien
Für das energetische Gebäude-Simulationsprogramm EnergyPlus steht eine umfangreiche weltweite Sammlung von Wetterdaten kostenfrei zur Verfügung.
WUFI kann diese Dateien lesen. Da sie jedoch keine Regendaten enthalten, sind sie grundsätzlich nicht für Untersuchungen geeignet, in denen die Regenbelastung des Bauteils eine wesentliche Rolle spielt.
Andere Datenquellen
Es existieren zahlreiche andere Quellen für Wetterdaten, von internationalen Wetterdatenbanken über nationale Wetterdienste bis zu privaten Wetterstationsbesitzern. Diese können manchmal Daten für den gewünschten Ort und Zeitraum zur Verfügung stellen, manchmal nicht. Manchmal sind die Daten kostenlos, manchmal nicht. Die erhältlichen Daten variieren stark in Qualität, Umfang und Vollständigkeit. Es liegt dann in der Verantwortung des Benutzers, die Datenqualität zu prüfen, Fehler zu berichtigen, Datenlücken zu füllen, die Daten in ein geeignetes Dateiformat zu bringen, usw.
Wetterdatenbanken, die nützlich sein können oder auch nicht, sind z.B.
NOAA National Climatic Data Center: www.ncdc.noaa.gov/
…
und andere…
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