Kurzbericht Forschungsprojekt Evaluierung von Atrien

Prof. Dr.-Ing. M. N . Fisch
AtrIEn
Kurzbericht Forschungsprojekt Evaluierung von Atrien
Ziel der Forschungsaufgabe
Seit mehreren Jahrzehnten werden große, glasüberdachte Lufträume, Atrien, im zunehmenden Maße
in die Architektur von Büro- und Verwaltungsgebäuden integriert. Neben architektonischen
Anforderungen
wie
die
Schaffung
eines
repräsentativen
Erscheinungsbildes
oder
witterungsgeschützter Verkehrs- und Aufenthaltsflächen, werden Atrien als sichtbarer Beleg für die
hohe Energieeffizienz eines Gebäudes gehandelt. Analog zur Wirkung eines Wintergartens, erwarten
die Planer durch die Akkumulation solarer Wärmegewinne und durch die Möglichkeit einer
natürlichen Lüftung der an das Atrium angrenzenden Büroräume eine Einsparung an Heizenergie und
Lüftungsenergie.
Im Planungsprozess besteht bislang keine allgemein anerkannte Methode das thermische Verhalten
eines Atriums und daraus resultierende Vorgaben für die Konstruktion und der Betriebsführung. Die
Planung erfolgt nach individuellen Maßstäben mit unterschiedlichen Planungswerkzeugen. Der
gegenwärtige Stand der Normung, siehe DIN V 18599 bietet keine Hilfestellung für die energie- und
behaglichkeitsoptimierte Planung von großen, verglasten Lufträumen. In der Praxis hat sich gezeigt,
dass oftmals die Einsparungen an Nutzenergie hinter den Erwartungen zurückbleiben, hingegen die
sommerlichen Überhitzungen und die Temperaturschichtung im Atrium die Prognosen bei Weitem
übertreffen. Die erheblichen solaren Wärmegewinne im Sommer werden regelmäßig unterschätzt und
führen
zu
unerwünschten
Überhitzungen.
Daraus
resultiert
nicht
nur
ein
erhöhter
Kühlenergieverbrauch, sondern auch eine Einschränkung der thermischen Behaglichkeit und der
Lüftungsmöglichkeiten zum Atrium.
Diese Erfahrungen und die Möglichkeit des Zugangs zu einer Reihe von Atriengebäuden hat das
Institut für Gebäude und Solartechnik, TU Braunschweig, Univ.-Prof. Dr.-Ing. Fisch bewogen,
Atriengebäude im Betrieb hinsichtlich Ihrer Energieeffizienz und Funktionsweise zu untersuchen. Die
Ursachen für eine suboptimale Funktionsweise der Atrien im Energie- und Belüftungskonzept des
Gebäudes sollen benannt und analysiert werden. Auf Basis dieser Erkenntnisse werden die üblichen
Planungswerkzeuge
anhand
eines
CFD-Programms,
eines
dynamischen
Gebäudesimulationsprogramms und analytischer Methoden hinsichtlich ihrer Prognosegüte bewertet.
Abschließend werden Leitlinien aufgestellt, die die für die Planung eines Atriums relevanten
Erkenntnisse zusammenfassen.
Durchführung der Forschungsaufgabe
Das Forschungsprojekt gliedert sich in eine Grob- und eine Feinanalyse.
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Grobanalyse
In der Grobanalyse werden 15 Atriengebäude steckbrieflich hinsichtlich Ihrer Energiekennwerte,
bauphysikalischer
Merkmale
und
Atrienkonzepte
beschrieben.
Für
die
Beurteilung
der
Energieeffizienz von Atriengebäuden werden die Energiekennwerte von Atriengebäuden den von
Gebäude ohne Atrium gegenübergestellt. Im Weiteren wird untersucht, ob eine Korrelation zwischen
Energieeffizienz und bauphysikalischen Eigenschaften der Atriengebäude besteht. Für einen Teil der
Atrien liegen Temperaturmessreihen aus vorangegangenen Forschungsprojekten vor. Diese werden
herangezogen zum Vergleich des thermischen Verhaltens der Atrien untereinander, sowie in Bezug
auf das Außenklima. Hieraus werden verallgemeinerbare Zusammenhänge zwischen konstruktiven
Randbedingungen und dem thermischen Verhalten der Atrien abgeleitet. Weiterhin erfolgt der
Vergleich des vertikalen Temperaturgradienten der Luft im Atrium bei ähnlichen Außenbedingungen.
Betriebliche Einflüsse wie die Regelung der Gebäudeautomation sowie die Überprüfung der korrekten
Umsetzung in die Praxis können in dieser Betrachtung nicht bewertet werden..
Feinanalyse
In der Feinanalyse werden drei ausgewählte Atrien der Grobanalyse für eine vertiefende Betrachtung
herangezogen. Es handelt sich hierbei um die Hauptverwaltung der LBS Nord in Hannover Kronsberg,
dem Energieforum Berlin in Berlin Friedrichshain und dem Neubau Informatikzentrum auf dem
Gelände der TU Braunschweig.
Bei dem Atrium der LBS Nord handelt es sich um ein Haus-in-Haus Konzept, bei dem die Glashülle
die Kerngebäude fast vollständig umgibt. Die
ebenfalls umschlossenen Grünhöfe zwischen den
Gebäudeteilen, die mediterran bepflanzt sind, werden nicht beheizt. Das Atrium des Energieforums
Berlin ist dreiseitig vom Kerngebäude umschlossen und öffnet sich mit seiner vertikalen Glasfläche
nach Süden zur Spree hin. Als zentrale Verkehrsfläche und gelegentliche Veranstaltungsfläche ist es
beheizbar. Im Informatikzentrum der TU Braunschweig ist das Atrium vierseitig umschlossen, beheizt
und wird vorwiegend als Verkehrsfläche genutzt. Das Energieforum und das Informatikzentrum sind
als Niedrigenergiegebäude konzipiert worden und erfüllen die gesetzten Energiekennwerte.
Das messtechnische Untersuchungsprogramm der Feinanalyse gliedert sich in ein Langzeitmonitoring
und Kurzzeitversuche. Im Langzeitmonitoring erfolgt die Erfassung von Parametern des Atriumklimas
und des Außenklimas. Parallel erfolgt die Erfassung der Betriebsdaten der GLT. Die Daten der GLT
geben Aufschluss über die Umsetzung des Regelschemas zur Ansteuerung der Lüftungsöffnungen. Zu
den erfassten Daten gehören auch die für die Regelung entscheidenden Führungsgrößen wie z.B.
Außen-
und
Innentemperatur.
Luftwechselmessungen
und
Die
Kurzzeitversuche
Rauchversuchen
zur
2
bestehen
Analyse
des
vor
allen
Dingen
Luftaustauschs
und
aus
der
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Raumluftströmung. Der Luftaustausch ist, neben der Verglasungsqualität und Anteil und Ausrichtung
der verglasten Flächen die bestimmende Größe für die Atriumtemperatur. Da im Planungsprozess zum
Zeitpunkt der Fachplanung die Möglichkeit zur Veränderung der transparenten Umschließungsflächen
und der Vergasungsqualität engen Grenzen unterworfen ist, kommt der Lage und Größe der
Lüftungsöffnungen als einstellbarere Größe eine Schlüsselrolle zu.
Die gemessenen Luftwechselzahlen werden verglichen mit den Ergebnissen verschiedener Methoden
zur Berechnung des Luftwechsels, wie analytische Methoden und CFD-Simulationsprogrammen. Ein
Abgleich zwischen Rechen- und Messergebnissen bewertet die Prognosegüte der einzelnen
Planungswerkzeuge.
Zur Quantifizierungen des Einflusses der Atriumtemperatur und des Belüftungskonzepts auf den
Gesamtenergieverbrauch der Büroräume erfolgt auf Basis der Ergebnisse der Temperaturmessungen in
den Atrien eine dynamische Gebäudesimulation der Büroräume. Aus der Korrelation der
Lufttemperaturen im Atrium und der Außenlufttemperatur wird eine Funktion der beiden Größen
gebildet. Anschließend werden mit dieser Funktion auf Basis eines Testreferenzjahres ReferenzLufttemperaturverläufe im Atrium berechnet.
Im letzen Schritt wird der Nutzenergiebedarf für Heizen und Kühlen eines an das Atrium grenzenden
Büroraumes mit dem synthetischen Atriumklima als Umgebungsklima berechnet.
Abschließend erfolgt die Aufstellung von verallgemeinerbareren Leitlinien für die Planung
energieeffizienter und komfortgerechter Atrien.
Zusammenfassung der Ergebnisse
Einfluss der Verglasungsart auf den Energieverbrauch
Der Vergleich der Energiekennwerte der 15 Atriengebäude mit anderen Verwaltungsgebäuden ohne
Atrium unter der Berücksichtigung der Atrienkonzepte und der bauphysikalischen Randbedingungen
hat in erster Linie gezeigt, das Atriengebäude ebenso wie Nicht-Atriengebäude die gesamte
Bandbreite der Energieeffizienz abdecken können. Jedoch fällt auf, dass die Gebäude mit beheizbaren
Warmatrien (15° - 25°C) einen geringeren Wärmeverbrauch aufweisen,
als Gebäude mit
unbeheizbaren Kaltatrien (5°C - 15°C). Ursächlich scheint die Tatsache, dass beheizbare Atrien
gemäß
WSVO
über
eine
Wärmeschutzverglasung
verfügen
müssen,
die
zu
geringeren
Wärmeverlusten des Kerngebäudes führt. Durch die Anwendung einer Wärmeschutzverglasung und
damit einer Verschiebung der Wärme dämmenden Ebene zur Atriumhülle, erfolgt zum einen eine
effektive Verringerung des A/V – Verhältnisses. Zum anderen gehen die solaren Wärmegewinne im
Atrium nicht durch die Hülle wieder verloren.
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Thermisches Verhalten der Atrien
Bei Atriengebäuden, die sehr hohe Energieverbräuche aufweisen, sind in den betrachteten Fällen
betriebliche Störungen ursächlich (Regeschema und seine Umsetzung).
Die Höhe des
Temperaturniveaus und der Anstieg der Temperatur über die Höhe des Luftraums für vergleichbare
Außenbedingungen (Sommer 25°C, Winter 0°C) sind Abbildung 1 zu entnehmen.
20
20
18
18
16
16
14
14
12
12
Höhe [m]
Höhe [m]
Haus-im-Haus
10
Haus-im-Haus
4-seitiges Atrium
10
4-seitiges Atrium, gekühlt
4-seitiges Atrium
8
8
6
6
4
4
2
2
4-seitiges Atrium
3-seitiges Atrium
4-seitiges Atrium
0
20,00
0
25,00
30,00
35,00
0,00
Atriumtemperatur [°C]
5,00
10,00
15,00
20,00
25,00
Atriumtemperatur [°C]
Abbildung 1 Vertikaler Temperaturgradient des Luftraumes verschiedener Atrien bei ähnlichen Außenbedingungen, jeweils für
Sommer (ca. 25°C) und Winter (ca. 0°C)
Im Sommer reicht die Spannbreite der Atriumtemperatur von 22 bis 35°C bei einem vertikalen
Temperaturgradienten von bis zu 10 K. Diese Größen stehen nicht in einem signifikanten
Zusammenhang mit dem Luftöffnungsanteil, der Höhendifferenz zwischen den Luftöffnungen oder
dem Gesamtenergiedurchlassgrad der Verglasung.
Im Winter ist die Temperatur über die Höhe nahezu konstant und Ihr Niveau ist bedingt durch
betriebliche Anforderungen. Sofern im Atrium eine Heizung (Heizkörper, Fußbodenheizung)
vorhanden ist, besteht gemäß Wärmeschutzverordnung (1995, maßgeblich für alle untersuchten
Gebäude) auch die Forderung nach einer Wärmeschutzverglasung, die es in der Regel erlaubt, die
Zieltemperatur einzuhalten. Bei Kaltatrien wird im Winter das gewünschte Temperaturniveau durch
Öffnen und Schließen von Lüftungsklappen erzielt.
Die Atriumtemperaturen liegen für fast alle Atrien ganzjährig über die gesamte Höhe des Luftraumes
oberhalb der Außentemperatur, siehe Abbildung 2.
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Dreiseitiges Atrium
Haus – im - Haus Konzept
40,0
40
35
35,0
30
30,0
25,0
Oben
20
Mitte
Unten
Atriumtemperatur [C°]
Atriumtemperatur [C°]
25
4.OG
15,0
10
10,0
5
5,0
-20
-15
-10
-5
0
5
10
15
20
25
30
35
0,0
-20,0
40
2.OG
5.OG
15
0
3.OG
20,0
-10,0
0,0
10,0
20,0
30,0
40,0
Außenlufttemperatur [C°]
Außenlufttemperatur [C°]
Abbildung 2 Abhängigkeit der Atriumtemperatur von der Außentemperatur für ein unbeheiztes (l.) und ein beheiztes
(r.)Atrium. Die Farben kennzeichnen die Höhe des Messpunktes (von unten nach oben: grün, gelb rot, braun)
Einfluss der Atriumtemperatur und des Belüftungskonzeptes der angrenzenden Räume auf den
Energieverbrauch der Gebäude
Die Tatsache, dass die Atriumtemperatur ganzjährig die Außentemperatur überschreitet, ist eine
wichtige Feststellung im Bezug auf den Energieverbrauch der Gebäude. Für den Heizfall führt die
Übertemperatur des Atriums zu Energieeinsparungen und im Kühlfall zu einem erhöhten
Kühlenergieverbrauch. Ob in der Jahresbilanz durch ein Atrium ein Mehr- oder Minderverbrauch
erzielt wird, wird durch das Verhältnis der eingesparten Heizenergie zum Mehrverbrauch an
Kühlenergie entschieden. Beeinflusst wird dieses Verhältnis durch das Temperaturniveau im Atrium,
dass im Sommer möglichst gering, im Winter möglichst hoch sein sollte, und zum anderen dadurch,
inwieweit durch Konvektion (Belüftungskonzept, Luftaustausch zwischen Atrium und Kerngebäude)
und Transmission zum Kerngebäude die Atriumtemperatur für die Konditionierung des Kerngebäudes
zum Tragen kommt.
Die Untersuchung mit einer dynamischen Gebäudesimulation auf Basis der Messergebnisse ergab im
vorliegenden Fall, einem Kaltatrium, dass sich das Atrium mit einer Erhöhung um 50% des
Nutzenergieverbrauchs negativ auswirkt, wenn im Kühlfall ein Luftaustausch zwischen Kerngebäude
und Atrium besteht. Sofern dies der Fall ist, werden die Wärmegewinne des Atriums nicht nur durch
Transmission, sondern auch durch Konvektion in das Kerngebäude getragen.
Hingegen sollte in der Heizphase solar vorgewärmte Luft zur Belüftung des Kerngebäudes genutzt
werden. Bei einem entsprechend angepassten Belüftungskonzept, kann die Nutzenergie für einen an
ein Atrium angrenzenden Raum im Vergleich zu einem an die Außenluft angrenzenden Raum um 50%
sinken.
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Die bei sommerlicher Außenwitterung gemessenen Luftwechselraten haben für die untersuchten
Atrien Werte zwischen 2,0 und 3,2 ergeben, siehe Tabelle 1. Der Vergleich mit den Ergebnissen der
analytischen Formeln nach der Britisch Standard Method, der Schachtformel, und nach der
Dachaufsatzformel haben gezeigt, dass die British Standard am geeignetsten ist, den Luftaustausch in
Abhängigkeit von der Übertemperatur des Atriums und dem Windaufkommen zu berechnen, siehe
Abbildung 3.
Volumenstromberechnung: Prozentualer Anteil vom Messwert
200%
180%
160%
Anteil vom Messweert[%]
140%
British Standard
Method
Dachaufsatzformel
nach Hansen
Schachtformel
nach Albers / Rahn
CFD
120%
Messwert= 100%
100%
80%
60%
40%
20%
0%
EFB (Winter)
Thermik
NIZ (Sommer)
NIZ (Winter)
Thermik
LBN (Sommer LS7)
LBN (Sommer LS
11)
LBN (Winter LS 2)
LBN (Winter LS 2 optimiert)
Abbildung 3 Berechnete Luftwechselraten im Relation zum Messwert
Fälle, in denen der thermische Einfluss überwiegt sind gekennzeichnet. Weiterhin sind CFD –
Methoden ebenfalls geeignet, den Luftaustausch mit einer ähnlichen Genauigkeit zu berechnen. Bei
den untersuchten Fällen ist im Sommerfall der Windeinfluss für den Luftaustausch maßgeblich.
Nichtsdestotrotz ist eine ausreichende Höhendifferenz zwischen Zu- und Abluftöffnung vorzusehen,
um den „worst case“ des windstillen Sommertages abzudecken.
Tabelle 1 Absolute Werte des Luftaustausches
LW Messung/Berechnung
[m³/h]
EFB (Winter)
NIZ (Sommer)
NIZ (Winter)
LBN (Sommer LS7)
LBN (Sommer LS 11)
LBN (Winter LS 2)
LBN (Winter LS 2 - optimiert)
Messung
Messung
Volumenstrom Luftwechsel [-]
202.655
26.054
18.750
62.294
86.742
50.022
13.080
British Standard
Method
5,4
3,2
2,3
2,0
2,8
1,6
0,4
209.285
3.147
4.767
41.781
61.961
11.120
27.277
6
Dachaufsatzform Schachtformel
CFDel
nach Albers / Rahn Ergebnisse
nach Hansen
723.284
268.187
231.336
7.077
2.658
17.600
6.692
2.550
51.824
28.071
55.128
27.907
6.120
935
7.756
2.452
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Bedeutung der Normung als Planungshilfe
In der für die Berechnung des Energieverbrauchs eines Gebäudes maßgeblichen Norm DIN V 18599
werden Atrien als beheizte oder unbeheizte Glasvorbauten behandelt. In dem detaillierten
Monatsbilanzverfahren wird ohne Rücksicht auf betriebliche Anforderungen das Atrium als ein EinZonen-Model mit festgelegten Luftwechselzahlen behandelt. Dieses Verfahren stellt keine
Planungshilfe in Bezug auf die Dimensionierung der Lüftungsöffnungen bzw. der Prognose des
thermischen Verhaltens des Atriums dar. Das vereinfachte Verfahren berechnet für den Sommerfall
Temperaturen, die unterhalb der Außentemperatur liegen. Dies steht im Widerspruch zu den
Untersuchungsergebnissen, die ganzjährig eine Übertemperatur im Atrium anzeigen.
Die für die Planung relevanten Ergebnisse werden in folgenden Leitlinien zusammengefasst:
Die Art der Nutzung eines Atriums ist frühzeitig zu definieren, da sie die weitere Planung
maßgeblich mitbestimmt.
Die Vegetation in Atrien kann eine energie- und komfortoptimierte Regelung einschränken. Dies
gilt
insbesondere
für
eine
mediterrane
Bepflanzung,
die
in
der
Heizphase
einen
Temperaturbereich von 5-15°C erfordert. Dadurch sind solare Wärmegewinne nur bedingt
nutzbar.
Berücksichtigung realistischer Lufttemperaturen in Atrien
Atrien weisen selbst bei sorgfältiger Planung ganzjährig und insbesondere im Sommer in den
obersten
Schichten
Übertemperaturen
ist
des
für
Luftraums
die
erhebliche
angrenzenden
Übertemperaturen
Gebäudeteile
mit
auf.
einer
Infolge
dieser
Erhöhung
des
Kühlenergiebedarfs, aber auch mit einer Reduzierung des Heizenergiebedarfs zu rechnen. Je nach
Auslegung des Gebäudes, können die Einsparungen durch geringeren Heizwärmeverbrauch die
Mehrausgaben durch einen erhöhten Kälteverbrauch überwiegen.
Die Wirkung der Atriumtemperatur auf die angrenzenden Räume ist höher, wenn zum Atrium hin
gelüftet wird. Daraus resultiert, dass zur Reduzierung des Kühlbedarfs die an die Atrien
angrenzenden Räume alternativ, statt über das Atrium, mechanisch belüftet werden sollten. Eine
Überhöhung des Atriums bietet einen Pufferraum für aufsteigende erwärmte Luft und kann somit
die negativen Folgen einer sommerlichen Überhitzung und Temperaturschichtung abmildern.
In der Heizphase kann eine Lüftung zu einem Atrium hin sinnvoll sein, um solare Wärmegewinne
in der Zuluft nutzbar zu machen.
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Wahl der Verglasung
Der Gesamtenergiedurchlassgrad der Atriumverglasung sollte kleiner als 0,4 sein, wobei die
Lichttransmission entsprechend der technischen Möglichkeiten in etwa doppelt so hoch sein
sollte wie der Gesamtenergiedurchlassgrad.
Anordnung von Lüftungsöffnungen
Lüftungsöffnungen sollten so angeordnet werden, dass sie eine möglichst große Höhendifferenz
aufweisen. Die Lage der Zuluftöffnungen ist möglichst nach Norden, alternativ nach Osten
auszurichten, da morgens die Überhitzung noch gering ist und zu dieser Zeit der keiner direkten
Strahlung ausgesetzte Zuluftbereich nur geringfügig zur Aufheizung beiträgt.
Zur Abminderung einer Temperaturschichtung sind in der obersten Ebene gegenüberliegende
Lüftungsöffnungen vorzusehen und eine Querlüftung einer einseitigen, windrichtungsabhängigen
Öffnung der Klappen vorzuziehen.
Für die Bestimmung der erforderlichen effektiven Öffnungsflächen ist die British Standard
Method [BS 5925] ein wichtiges Hilfsmittel. Für den Auslegungsfall wird der auftriebsinduzierte
Luftwechsel angesetzt, der mindestens n=3 h-1 betragen sollte. Für detaillierte Untersuchungen,
die auch den Windeinfluss und Raumluftströmungen betrachten, sind CFD- Untersuchungen
geeignet. Die Wirkung von Lamellen und Kippflügeln an den Lüftungsöffnungen sind
hinsichtlich der Reduzierung der effektiven Öffnungsfläche zu berücksichtigen.
Regelung der Lüftung
Die Regelung der Atriumbelüftung sollte schnell reagieren können und verlässliche
Führungsgrößen aufweisen. Dies gilt insbesondere für die Lage und Genauigkeit der Raum- und
Außentemperatursensoren (Strahlungsschutz). Das Regelungskonzept ist zugunsten seiner
Nachvollziehbarkeit und Überprüfbarkeit durch Planer, Errichter und Betreiber so einfach wie
möglich zu gestalten. Ein mindestens einjähriges Monitoring der Regelung, beginnend mit der
Inbetriebnahme, ist einzuplanen, um Abweichungen zwischen Planung und Betrieb zu
identifizieren und den Betrieb optimal auf die tatsächliche Nutzung des Gebäudes und das
thermische Verhalten des Atriums abzustimmen.
Der Forschungsbericht wurde mit Mitteln der Forschungsinitiative Zukunft Bau des Bundesamtes für
Bauwesen und Raumordnung gefördert. (Aktenzeichen: Z6 – 10.8,18.7 -07.14/ II 2 – F20-07-31) Die
Verantwortung für den Inhalt des Berichtes liegt beim Autor.
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