Untitled - Müller

Vorwort
Intelligente Klimakonzepte für den Betrieb von Gebäuden stellen heute für den Bauherrn sowohl aus
ökologischen wie auch ökonomischen Gründen ein Muss des Entwurfs dar. Besonders bei
repräsentativen Gebäuden und Gebäudeteilen aus Glas sind solche Konzepte erforderlich.
Das vorliegende Buch über die Bauklimatik weckt das Verständnis für Zusammenhänge zwischen
moderner Glasarchitektur und den resultierenden Klimaverhältnissen. Damit unterstützt es Architekten
und Fachplaner in dem Bestreben, in einem Gebäude bereits durch seine Konstruktion einen möglichst guten Schutz gegen äußere Einflüsse – vor allem gegen sommerliche Überhitzung – zu
erreichen. Insofern konzentriert es sich auf die passiven Maßnahmen wie Fassade, natürliche Lüftung,
Speichermassen, etc. Dieser bauklimatische Ansatz beim architektonischen Entwurf berücksichtigt die
Energieeinsparung, Gebäudetechnik und Behaglichkeit bis hin zur Wirtschaftlichkeitseinschätzung.
Die Darstellung dieser Zusammenhänge und Wechselwirkungen soll Bauherren, Architekten und
Fachplaner verbinden und unterstützt eine frühzeitige integrale Planung.
Mein Dank gilt im besonderen Maße meiner Frau Martina sowie meinen beiden Söhnen Roland und
Martin für die große Geduld, die mir von meiner Familie beim Verfassen des vorliegenden Buches
entgegengebracht wurde.
München im Juli 2002
Gunter Pültz
INHALT
1
Seite
Einführung
1
1.1
Mensch und Klima
1
1.2
Ökologische Klimakonzepte
3
1.3
Energiesparen durch aktive und passive Maßnahmen am Baukörper
4
1.4
Energieeinsparpotentiale
6
2
Bauklimatik
7
3
Fassade
8
3.1
Grundlagen
8
3.1.1
Funktionen und Anforderungen
3.1.2
Fassadentypen
10
3.1.3
Energierelevante Themen und korrespondierende Kennwerte
12
3.1.4
Strahlungsphysikalische Eigenschaften von Verglasungen
16
3.1.5
Strahlungsphysikalische Eigenschaften von Sonnenschutzsystemen
19
3.2
Verglasungen
8
22
3.2.1
Verglasungstypen
22
3.2.2
Energetische Kennwerte
23
3.2.3
Solarer Wärmeeintrag und Tageslicht
24
3.3
Sonnenschutzsysteme
28
3.3.1
Überblick
28
3.3.2
Verschattungssituation
28
3.3.3
Innensonnenschutz
30
3.3.4
Außensonnenschutz
36
3.3.5
Integrierter Sonnenschutz
50
3.3.6
Adaptive Verglasungen
63
4
Natürliche Lüftung
4.1
65
Grundlagen
65
4.1.1
Thermik
66
4.1.2
Wind
68
4.1.3
Grenzen der Fensterlüftung
70
4.2
Fensterlüftung bei Büroräumen
72
4.2.1
Einfluss der Fenster
73
4.2.2
Zulufttemperaturerwärmung
74
4.2.3
Rauminnenströmung
77
4.2.4
Querlüftung
78
4.3
Natürliche Lüftung von Glashallen
86
4.3.1
Einfluss der Lüftungsöffnungen
87
4.3.2
Überlagerung von Wind und Thermik
88
4.4
5
Vertikale Gebäudedurchlüftung
Speichermassen
90
92
5.1
Speichermassen im Gebäude
92
5.2
Erdreich als Speichermasse
94
6
Erreichbare Klimaverhältnisse
6.1
Behaglichkeit
96
97
6.1.1
Thermische Behaglichkeit
6.1.2
Visuelle Behaglichkeit
102
6.1.3
Hygienische Behaglichkeit
102
6.1.4
Akustische Behaglichkeit
102
6.1.5
Elektromagnetische Umweltverträgllichkeit
103
6.2
6.2.1
98
Sommerlicher Wärmeschutz
104
Planungsprozess nach HOAI
105
6.2.2
Planungsleistung Bauklimatik
106
6.2.3
Klimakonzepte für Büroräume
107
6.2.4
Klimakonzepte für Glashallen
115
6.2.5
Thermische Schichtung
121
6.3
Winter
123
6.3.1
Büroräume
123
6.3.2
Glashallen
124
7
Wirtschaftlichkeit
127
7.1
Grundlagen
127
7.2
Klimakonzepte für Büroräume
129
7.3
Fassadenvergleich
132
1.
Einführung
1.1
Mensch und Klima
In der Geschichte des Lebens sind immer schon
Naturkatastrophen teilweise apokalyptischen Ausmaßes, z.B. das Aussterben der Dinosaurier vor ca.
65 Mio. Jahren, aufgetreten.
Bei differenzierterer Betrachtungsweise ist jedoch
zu erkennen, dass in den letzten Jahrzehnten ein
markanter Unterschied zu den früheren Jahrzehnten
und Jahrhunderten festzustellen ist. Die Schadensstatistiken offenbaren nämlich einen eindeutigen
Trend: Die Häufigkeit und Intensität brutaler Naturkatastrophen hat in den letzten Jahrzehnten immer
mehr zugenommen und dieser Trend setzt sich
ungebrochen fort. So wurde nach Angaben der
Münchener Rückversicherungs AG, der weltweit
führenden Rückversicherung, im Jahr 2000 ein
neuer absoluter Rekord bei der Anzahl der
Schadensereignisse erreicht: Weltweit wurden 850
Katastrophen registriert, was eine Steigerung von
100 Elementarschadensereignissen gegenüber dem
bisherigen Rekordjahr 1999 bedeutet. Die zunehmende Häufigkeit der Naturkatastrophen äußert
sich auch darin, dass deren Anzahl im Jahr 2000
um 200 oberhalb des Durchschnitt der 90er Jahre
liegt 1) .
Um einen ungefähren Eindruck davon zu bekommen, was passiert, wenn die entfesselten Naturgewalten die Menschheit heimsuchen, sind nachfolgend einige der heftigsten der in den letzten Jahrzehnten registrierten Naturkatastrophen aufgelistet 2) :
• 1965 – 1967 sterben in Indien 1.500.000
Einwohner aufgrund einer mörderischen Dürre
• 1970 fordert ein Zyklon 3) in Bangladesch
300.000 Menschenleben
• 1972 – 1975 fallen in der Sahelzone/Äthiopien
250.000 Menschen einer Dürre zum Opfer
• 1976 bebt in China die Erde und es sind
242.000 Tote zu beklagen
• 1984/85 verlieren im Sudan/Tschad/Äthiopien
mehr als 500.000 Menschen ihr Leben wegen
einer Dürre
• 1991 führt ein Zyklon in Bangladesch zu einer
fürchterlichen Sturmflut, die 140.000 Opfer
fordert
• 1992 sterben in Somalia über 100.000
Menschen an den Folgen von Dürre und Krieg
• 1997 wird Nordkorea erst von einer
Überschwemmung und anschließend von einer
Dürre heimgesucht, wodurch über 100.000
Einwohner ihr Leben lassen
• 1999 fallen in der Türkei 20.000 Menschen
heftigen Erdbeben zum Opfer
1)
Quelle: Münchner Rückversicherung
Quelle: Deutsches Komitee für
Katastrophenvorsorge e.V.
3)
Sehr starker Wirbelsturm
2)
•
1999 werden in Venezuela 50.000 Menschen
von einer Überschwemmung getötet
Neben den aufgeführten Katastrophen mit sehr
vielen Opfern sind auch eine Vielzahl von weiteren
• Stürmen
• Überschwemmungen
• Hitzewellen
• Dürren
• Erdbeben
• Feuersbrünste
• Erdrutsche
mit weniger Toten zu benennen, die jedoch z.T.
erhebliche wirtschaftliche Schäden angerichtet
haben. Einige davon haben erst in der jüngsten
Vergangenheit stattgefunden und sind uns daher
noch in guter (oder eher schlechten) Errinnerung:
• 1999: Wintersturm Lothar in Mitteleuropa mit
9,1 Mrd. US $ Schaden
• 13./20.10.2000: Erdrutsch in den schweizer
und italienischen Alpen mit 8,5 Mrd. Schaden
• Oktober/November 2000: Überschwemmungen
in Großbritannien mit 1,5 Mrd. US $ Schaden 3)
Im Anblick dieser Naturkatastrophen stellt sich die
Frage, warum ausgerechnet in der Gegenwart diese
Urgewalten der Natur so häufig so vernichtend
zuschlagen. Diese äußerst heikle Frage lässt sich
derzeit nicht mit letzter Sicherheit beantworten,
jedoch sehen viele Wissenschaftler dieser Welt
einen ursächlichen Zusammenhang dieser
Naturkatastrophen mit dem sich verändernden
Weltklima. So wird mittlerweile kaum mehr in
Zweifel gezogen, dass die intensive Freisetzung
von anthropogenem Kohlendioxid 4) in den letzten
Jahrzehnten wesentlich zur Erwärmung der Erde
beigetragen hat. Dieser komplexe Vorgang in der
Troposphäre 5) ist bekannt unter der Bezeichnung
„Treibhauseffekt“ und viele Klimaforscher sehen
eine enge Verbindung zwischen der weltweiten
Erwärmung und der zunehmenden Häufigkeit der
Naturkatastrophen. Dies steht auch im Einklang mit
der Tatsache, dass das abgelaufene Jahr 2000 das
wärmste Jahr des Jahrhunderts war 6) . Neben dem
Treibhauseffekt existieren jedoch noch eine Reihe
weiterer Klimaphänomene, z.B. das „Ozon-Loch“,
„El Nino“, usw., deren Entstehung und andauerndes
Wachstum wahrscheinlich mit der vermehrten
weltweiten Freisetzung von Treibhausgasen 7)
zusammenhängt und die an der Entstehung der
4)
Vom Menschen künstlich erzeugtes Kohlendioxid
(z.B. durch Verbrennung von Öl, Kohle, Gas, Holz)
5)
Die Luftschicht, die die Erde unmittelbar (bis in
ca. 10 – 15 km Höhe) umgibt
6)
Quelle: Münchner Rückversicherung
7)
Neben Kohlendioxid: Methan, Distickstoffoxid,
Schwefelhexafluorid, perfluorierte Kohlenwasserstoffe, u.v.m.
1
genannten Naturkatastrophen zumindest mit
beteiligt sind.
Erfreulicherweise hat sich die Einsicht, dass viele
Naturkatastrophen von der Menschheit selbst
verursacht werden, in jüngerer Vergangenheit bis in
das Bewusstsein vieler verantwortlicher Politiker
verbreitet. Diese Einsicht führte auf der Konferenz
der Vereinten Nationen für Umwelt und
Entwicklung (UNCED) im Jahre 1992 in Rio de
Janeiro, an der 178 Staaten teilnahmen, zu der
gemeinsamen Erkenntnis, dass ein dringender
Handlungsbedarf zur Rettung der Erde gegeben ist,
welcher in die Verabschiedung der Agenda 21
mündete. Die Agenda 21 manifestiert das Schutzbedürfnis der Natur und fordert die Menschheit
weltweit zu einer nachhaltigen („sustainable“)
Bewirtschaftung der natürlichen Ressourcen auf.
Vereinfacht ausgedrückt kann man darunter
folgende Zielvorgaben für die weitere Entwicklung
der Weltgemeinschaft verstehen:
• Erhaltung der natürlichen Lebensgrundlagen,
• Ermöglichung von wirtschaftlichem Wohlstand
und
• Erzielen von sozialer Gerechtigkeit.
Dabei ist die Agenda 21 als ein Prozess zu verstehen, der sich allmählich in allen Gesellschaften
von innen heraus durchsetzen soll. Dies äußert sich
darin, dass die Agenda 21 in europäischen, nationalen, regionalen und sogar kommunalen Aktionsprogrammen zur Umsetzung o.g. Zielsetzungen
münden soll, wobei natürlich die örtlichen Besonderheiten und lokale Gegebenheiten mit einfließen
sollen.
Eine weitere Auswirkung der überfälligen Einsicht
in den derzeitigen Raubbau an der Natur ist in den
seit 1995 stattfindenden Weltklimakonferenzen zu
sehen, welche sicherlich auch von der Agenda 21
mit initiiert wurden. Erstaunlicherweise konnten
sich die Teilnahmeländer auf dem Weltklimagipfel
1997 im japanischen Kyoto nach heftigen Auseinandersetzungen auf die Verabschiedung eines
Klimaschutzprotokolls einigen, welches die wichtigsten Industrieländer der Welt erstmals rechtsverbindlich verpflichtete, die Freisetzung bestimmter Treibhausgase national und weltweit zu reduzieren.
Im Rahmen dieser Vereinbarung verpflichtete sich
die Bundesrepublik Deutschland, die CO 2 -Emissionen 8) bis zum Jahre 2005 um 25 % (bezogen auf
das Referenzjahr 1990) zu reduzieren. Um dieses
hochgesteckte Ziel zu erreichen, sind in allen
relevanten Bereichen intensive Anstrengungen zur
Reduzierung des Schadstoffausstosses erforderlich.
Geht man davon aus, dass sich die jährlichen CO 2 Emissionen in Deutschland in etwa zu je 1/3 auf
Verkehr, Industrie und Gebäude verteilen, so sind
folgende Entwicklungen als logische Konsequenz
zu betrachten:
• Autos, die nur noch 3 Liter Treibstoff pro 100
km verbrauchen
• Hocheffiziente Energiegewinnung mit sehr
hohem Wirkungsgrad (Kraft-WärmeKopplung) und/oder Nutzung regenerativer
Energien (Wasser, Wind, Biomasse, Sonne,
etc.)
• Optimierte Bauweise und ökologische
Klimakonzepte, die einen energiesparenden
Betrieb ermöglichen
Die Umsetzung dieses national formulierten Zieles
zur Reduzierung der CO 2 -Emissionen – welches
ausdrücklich von Bundeskanzler Schröder am 13.
November 2000 auf der sechsten Klimaschutzkonferenz in Den Haag bekräftigt wurde - äußert sich
unter anderem auch in der Verschärfung der ehemals gültigen Wärmeschutzverordnung vom 16.
August 1994 und der gleichzeitigen Verschmelzung
mit der Heizungsanlagen-Verordnung vom 4. Mai
1998 zur Energieeinsparverordnung (EnEV). Sie
macht die Zusammenarbeit zwischen Ingenieuren
und Architekten im Sinne einer integralen Planung
durch entsprechend verschärfte Anforderungen an
den Energieverbrauch von Gebäuden unerlässlich.
Die EnEV ist am 1. Februar 2002 in Kraft getreten
und ersetzt die alte Wärmeschutz- und Heizungsanlagen-Verordnung.
Die aufgeführten Beispiele belegen, dass sich die
von der Agenda 21 mit angestoßene Entwicklung
hin zum nachhaltigen Wirtschaften und zum schonenden Umgang mit den natürlichen Ressourcen
immer weiter verbreitet. Aus diesem Bewusstsein
und der Verantwortung gegenüber kommenden
Generationen heraus hat sich in jüngerer Vergangenheit auch in der Bundesrepublik Deutschland
ein gesellschaftlicher Konsens bezüglich der Sinnhaftigkeit und der dringenden Erfordernis zum
Energiesparen herausgebildet.
Dies äußert sich hierzulande - und zunehmend auch
in den europäischen Nachbarländern - in der permanent steigenden Nachfrage nach ökologischen und
intelligenten Klimakonzepten für den Betrieb von
Gebäuden.
8)
Freisetzung von anthropogenem Kohlendioxid
(CO 2 ) in die Atmosphäre
2
1.2
Ökologische Klimakonzepte
Der Begriff „ökologisches Klimakonzept“ wird im
Rahmen des Planungsprozesses von Gebäuden
leider für sehr unterschiedliche Inhalte benutzt; im
vorliegenden Buch ist ein „ökologisches Klimakonzept“ dadurch charakterisiert, dass ein Gebäude
bereits durch seine optimierte Bauweise in Kombination mit einer intelligenten Nutzung des Umweltangebots (Sonne, Licht, Luft, Speichermassen,
thermische Pufferzonen, etc.) nur einen geringen –
und im besten Fall gar keinen – Bedarf an
technischen Anlagen für den Betrieb des Gebäudes
aufweist und dennoch zufriedenstellende Klimaverhältnisse im Sommer und Winter anbietet. Der
ökologische Aspekt manifestiert sich daher in der
Minimierung des für den Betrieb des Gebäudes
erforderlichen Technikeinsatzes; denn die beste
Energieeinsparung ist in derjenigen Energie zu
sehen, die gar nicht erst verbraucht wird.
Allerdings lassen sich ökologische Klimakonzepte
(im folgenden auch kurz Öko-Konzepte genannt)
aufgrund der vielfältigen Wechselwirkungen nur in
enger Zusammenarbeit zwischen den
Planungsbeteiligten entwickeln, was sich in der
vielfach verwendeten Begrifflichkeit „Integrales
Planen“ widerspiegelt.
Die Sinnhaftigkeit eines ökologischen Klimakonzepts ergibt sich neben der eingangs ausführlich
erläuterten gesellschaftlichen Verantwortung gegenüber zukünftigen Generationen auch ganz banal
durch ökonomische Aspekte; denn mit Hilfe von
Öko-Konzepten lassen sich durch intelligente
Nutzung der o.g. Umweltressourcen erhebliche
Einsparungen sowohl bei den Investitions- (kleinere
gebäudetechnische Anlagen) wie auch bei den
Betriebskosten (kürzere Laufzeiten der Lüftung,
weniger Heizung, weniger Kühlung, etc.) eines
Gebäudes erzielen.
Allerdings darf dabei die Wechselwirkung von
Ökonomie und Ökologie nicht außer Acht gelassen,
sondern es sollte ein Gleichgewicht angestrebt werden. Denn singuläre Extrema sind möglich, aber
wenig sinnvoll. So ist es mit den heute verfügbaren
Materialien und Techniken durchaus möglich, ein
Null-Energiehaus zu errichten. Dieses ist jedoch
aufgrund der sehr hohen Investitionskosten derzeit
als ganz normales Gebäude noch viel zu teuer. Das
Optimum liegt – wie immer – in der goldenen Mitte
(z.B. Niedrigenergiehaus).
3
1.3
Energiesparen durch aktive und
passive Maßnahmen am Baukörper
Die Historie der Wärmeschutzverordnung, deren
Ursprung auf den Ölpreisschock 1974 zurückzuführen ist, zeigt recht deutlich die Entwicklung des
„Energiesparens“ an sich. So wurde zu Beginn
dieser Entwicklung in weiten Kreisen der
Gesellschaft unter Energiesparen das Sparen von
Ölerzeugnissen wie Heizöl und Benzin verstanden.
Leider ist dieses Verständnis von Energiesparen
teilweise heute noch anzutreffen, obwohl Energiesparen im eigentlichen Sinne noch wesentlich
weiter zu fassen ist. Der Blick sollte daher auf alle
Bereiche des täglichen Lebens gerichtet sein, die
einen merklichen Anteil zum gesamten Energieverbrauch beitragen (z.B. Verkehr, industrielle Produktion, Bau und Betrieb von Gebäuden, etc.).
Allen Bereichen ist gemeinsam, daß eine erhebliche
Energieeinsparung durch die Reduzierung des
Energiebedarfs bzw. des Energieverbrauchs erzielt
werden kann. Somit stellt sich die Bedarfs- bzw.
Verbrauchsminimierung als eine wesentliche
Energiequelle der Zukunft dar.
Diese Tatsache wurde bereits in den 70er Jahren erkannt, als unter dem Aspekt der Treibstoffeinsparung autofreie Sonntage veranstaltet wurden. Im
Bauwesen manifestiert sich dieser Grundgedanke
darin, daß ein Gebäude durch eine optimierte Bauweise und intelligente Betriebsweise seinen für den
Betrieb erforderlichen Energiebedarf minimiert und
im besten Fall sogar auf Technik ganz verzichtet
werden kann.
In diesem Zusammenhang sind bei Energieeinsparungen am Baukörper prinzipiell zwischen
aktiven und passiven Maßnahmen zu unterscheiden. Wie in Abbildung 1 dargestellt, sind unter
„aktiven Maßnahmen“ dabei alle Maßnahmen zu
verstehen, die sich auf technische Anlagen beziehen
und somit ihren Schwerpunkt bei der
Energieversorgung bzw. bei der Optimierung der
Energiebereitstellung aufweisen. So kann der
Energieverbrauch der verschiedenen technischen
Anlagen z.B. durch höhere Wirkungsgrade,
geringere Luftmengen, Nutzung der Verdunstungswärme, zonale Beleuchtung, Kraft-WärmeKopplung, Einsatz alternativer Energieträger, etc.
minimiert werden. Allen aufgeführten Beispielen
von aktiven Maßnahmen ist gemeinsam, daß ein
durch das Gebäude vorgegebener Energiebedarf
gedeckt werden muß.
Der primäre Ansatz zum Energiesparen sollte daher
zuallererst in der Minimierung des Energiebedarfs
selbst liegen und somit der optimalen Deckung des
Energiebedarfs vorgeschaltet sein. Folglich sind
alle Maßnahmen, die der Reduzierung des Energiebedarfs dienen, als „passive Maßnahmen“ zu verstehen (siehe Abbildung 1).
Diese sich auf die Ausbildung des Baukörpers
selbst beziehenden Maßnahmen sind das zentrale
Arbeitsgebiet der „Bauklimatik“. Das relativ junge
Arbeitsgebiet, dass seine Ursprünge in der Schweiz
hat, befasst sich detailliert mit den Rückwirkungen
der einzelnen Gebäudeelemente (z.B. Fassade,
Struktur, Orientierung, Speichermassen, Fensterlüftung, etc.) auf die Klimaverhältnisse im Gebäudeinneren.
4
Die Bauklimatik ist eng mit der Architektur verbunden, da die Architektur bereits mit der Gebäudestruktur festlegt, ob und wieviel Speichermassen
zur Dämpfung der sommerlichen Temperaturentwicklung in den jeweiligen Räumen zur Verfügung
steht. Darüber hinaus hängt es von der Gebäudestruktur ab, ob thermische Pufferzonen (z.B.
Wintergärten, Glashallen, doppelschalige Fassaden,
etc.) ausgebildet werden können und in welchen
Gebäudebereichen Fensterlüftung möglich ist.
Der Gebäudehülle als Grenze zwischen Innen- und
Außenraum kommt eine enorme Bedeutung im
Hinblick auf eine Reduzierung des Energiebedarfs
zu. Denn die Fassade definiert letztlich, inwieweit
das natürliche Umweltangebot (Außenraum mit
Sonne, Licht, Luft, Wasser, Bäumen und Pflanzen,
etc.) zur Nutzung herangezogen werden kann.
Darüber hinaus hängen auch die winterlichen
Wärmeverluste und somit der Heizenergieverbrauch ganz wesentlich von der Qualität der
Fassade ab.
Da ein Gebäude üblicherweise nicht als Selbstzweck, sondern für eine bestimmte Funktion errichtet wird, weist die Nutzung des Gebäudes und
die daraus abzuleitenden Anforderungen an die
Klimaverhältnisse in den Räumen ebenfalls einen
ganz wesentlichen Einfluß auf den Energieverbrauch auf. So weist z.B. ein Raum, dessen Temperaturen sich in gewissen Grenzen mit der Außenlufttemperatur mit verändern darf (in vielen europäischen Ländern durchaus üblich), einen wesentlich niedrigeren Energieverbrauch auf als ein
Raum, dessen Innentemperaturen immer auf demselben Niveau gehalten wird (in den USA und
Japan üblich). Darüber hinaus wirken sich oftmals
auch finanzielle Aspekte (z.B. Begrenzung der
Investitionskosten) auf die energetische Qualität
des Gebäudes und somit auf den Energieverbrauch
aus.
5
1.4
Energieeinsparpotentiale
Zu Beginn der Entwicklung eines energiesparenden
Konzepts sollte sinnvollerweise eine Analyse der
Energieverbräuche durchgeführt werden, um die
optimalen Ansatzpunkte zu finden.
Denn aus historischen Gründen wird auch heute
noch häufig die Meinung vertreten, daß Energiesparen gleichzusetzen ist mit einem reduzierten
Heizwärmeverbrauch. Wie in Kap. 1.3 erläutert, ist
diese Meinung größtenteils auf den Ölpreisschock
in den 70er Jahren und die daraus hervorgegangene
Wärmeschutzverordnung zurückzuführen. Die
ersten Fassungen der Wärmeschutzverordnung konzentrierten sich daher auf die Reduzierung der winterlichen Wärmeverluste durch eine Verbesserung
der Wärmedämmeigenschaften von Neubauten.
Dies hatte in den letzten Jahrzehnten zur Folge, daß
der Einsatz von hochdämmenden Fassaden selbstverständlich wurde.
Ungefähr zeitgleich brachte der Beginn des „Informationszeitalters“ einen intensiven Einsatz von
elektronischen Geräten (Computer, Drucker,
Telekommunikation, Multimedia, etc.) mit sich.
Bekanntermaßen geben alle elektronischen
Geräte im Betrieb Wärme ab, was in einer
erhöhten Wärmefreisetzung in den Räumen
resultiert.
Diese beiden parallel ablaufenden
Entwicklungen führten dazu, daß heutzutage
aufgrund der hochdämmenden Fassaden und der
erhöhten inneren Wärmeabgaben durch EDV in
manchen gewerblichen Neubauten nur noch
sehr wenig - z.T. sogar gar keine - Heizenergie
in der kalten Jahreszeit benötigt wird.
Die größeren Potentiale zum Energieeinsparen
sind daher - zumindest in Gewerbebauten –
häufig eben nicht mehr in der Minimierung des
Heizenergiebedarfs zu sehen. Denn die Analyse
des Energieverbrauchs von modernen Gebäuden
zeigt, daß nur noch ein geringer Anteil für das
winterliche Heizen aufgewendet wird. Die
wesentlichen Energieeinsparpotentiale liegen statt
dessen in der sommerlichen Kühlung, der Lüftung
der Räume und der Belichtung der Räume.
Dieser Zusammenhang wird im folgenden exemplarisch für ein Atrium mit Glasdach, welches angrenzende Büroräume aufweist, im Detail erläutert.
Hierzu ist in Abb. 2 zunächst das exemplarisch
untersuchte Atrium dargestellt.
Das Atrium und die angrenzenden Büros werden
ganzjährig genutzt und daher mechanisch gelüftet,
beheizt und gekühlt. In Abbildung 3 ist hierzu der
für den Betrieb des Atriums und der Büros erforderliche spezifische, jährliche Energieverbrauch
(auf Basis einer konventionellen Energieerzeugung)
dargestellt.
Wie darin zu erkennen ist, wird jeweils etwa doppelt so viel Primärenergie für das Kühlen und die
mechanische Lüftung (Strom für die Ventilatoren)
aufgewendet als für die Beheizung des Atriums.
Darüber hinaus wird ca. ¼ der gesamten Energie
für die künstliche Beleuchtung – insbesonders der
an die Glashalle angrenzenden Büroräume – ver40%
30%
30%
30%
25%
20%
15%
10%
0%
Wärme/Heizung
Abb. 3:
Kälte/Kühlung
Strom/Ventilatoren
Strom/Beleuchtung
Spezifischer jährlicher Energieverbrauch des Atriums und der
angrenzenden Büroräume
braucht.
Abb. 3 ist unschwer zu entnehmen, daß die größten
Energieeinsparungen zum einen durch die Begrenzung der erforderlichen Kühlung im Sommer (Optimierung des Glasdachs im Hinblick auf eine Minimierung des solaren Wärmeeintrags und Einsatz
von Speichermassen zur Dämpfung der sommerlichen Temperaturentwicklung) und zum anderen
mittels Fensterlüftung (ausgeschaltete mechanische
Lüftungsanlage) zu erreichen sind. Darüber hinaus
ist eine gute Tagesbelichtung insbesonders der
angrenzenden Büros von großer Bedeutung für den
Stromverbrauch des Gebäudes.
Dieses exemplarische Ergebnis kann durchaus als
Trend für moderne Glasarchitektur interpretiert
werden, so daß der primäre Ansatz für Energieeinsparungen sinnvollerweise der sommerliche
Kühlfall, die Lüftung und Tageslicht sein sollten.
6
In diesem Zusammenhang sei nochmals auf die seit
dem 1. Februar 2002 gültige Energieeinsparverordnung (EnEV) verwiesen. Denn diese fordert zwar
eine Begrenzung des Jahresprimärenergiebedarfs
für Gebäude. Allerdings wird bei der Ermittlung
des Primärenergieverbrauchs nur die Heizung und
die mechanische Lüftung des Gebäudes berücksichtigt. Unverständlicherweise wird die äußerst
energieintensive Kühlung von Gebäude bisher nicht
berücksichtigt. Dieser fundamentale Kritikpunkt an
der – eigentlich in die richtige Richtung gehenden EnEV ist vermutlich darauf zurückzuführen, dass
die vorhergehenden Wärmeschutzverordnungen
ursprünglich im wesentlichen auf Wohngebäude
zielten. Darüber hinaus muss wohl davon ausgegangen werden, dass in diesem Zusammenhang
mächtige industrielle Interessen berührt werden. Es
bleibt nur zu hoffen, dass dieses Manko bei der
nächsten Novellierung der EnEV vom Gesetzgeber
beseitigt wird.
2.
Bauklimatik
Die Bauklimatik ist ein junges, innovatives
Arbeitsgebiet, dessen Ursprung in die Schweiz
Ende der 50er Jahre zurückzuführen ist.
Es konzentriert sich auf die Bestrebungen, ein
Gebäude derart auszubilden, dass es allein durch
seine Konstruktion einen ausreichenden Schutz
gegen äußere Einflüsse bietet – besonders gegen die
sommerliche Überhitzung bei modernen, großflächig verglasten Bauten.
Da somit das Gebäude selbst den zentralen Schwerpunkt der Bauklimatik darstellt, kann man diese mit
anderen Worten auch als energetische Seite der
Architektur auffassen.
Es liegt auf der Hand, dass damit die passiven
Maßnahmen am Baukörper (z.B. Fassade, Speichermassen, Fensterlüftung, etc., vgl. Kap. 1.3) die
wichtigsten Bestandteile des Arbeitsgebiets
Bauklimatik bilden.
Wie bereits in Kap. 1.3 angedeutet, dienen die
passiven Maßnahmen generell dazu, den Energiebedarf eines Gebäudes durch eine intelligente Bauund Betriebsweise zu minimieren und somit die
Umweltressourcen zu schonen. Im Hinblick auf die
Agenda 21, die ein nachhaltiges Bauen fordert,
sollten daher bei jeder Baumaßnahme zunächst die
passiven Maßnahmen optimiert werden.
Diese mit Hilfe der Bauklimatik durchzuführende
Optimierung des Baukörpers selbst ist nicht nur im
Sinne von Energieeinsparung zielführend, wie in
Kapitel 1.4 für hochwertige und großflächig verglaste Innenräume, die mechanisch gelüftet und
gekühlt werden, exemplarisch aufgezeigt wurde.
Sie ist auch sehr empfehlenswert für Bauvorhaben
mit einem strikten Kostenrahmen, bei denen aus
finanziellen Gründen (Investitionskosten) auf jeglichen Technikeinsatz verzichtet wird. Denn bei
derartigen Bauvorhaben (oftmals Bauvorhaben der
öffentlichen Hand) muss im Hinblick auf sommerliche Überhitzungserscheinungen sehr auf ein vernünftiges Klimakonzept geachtet werden. Dabei
kommt wiederum den passiven Maßnahmen als
einzig verfügbare Bausteine des Klimakonzepts
eine zentrale Bedeutung zu. Diese sollten in Zusammenarbeit mit dem Spezialisten der Bauklimatik optimal kombiniert werden, um trotz des
Verzichts auf Technik akzeptable sommerliche
Klimaverhältnisse zu erreichen.
Wie die Ausführungen in Kapitel 1.4. zeigen, bieten derzeit in der Regel die Fassadenausbildung und
die Nutzung der Fensterlüftung die Ansatzpunkte
mit den größten Energieeinsparpotentialen. Dies
sollte jedoch für jedes Bauvorhaben – insbesondere
im Kontext mit der vorgesehen Nutzung – spezifisch geprüft werden. Denn gelegentlich führen
besondere Umstände zu abweichenden Ergebnissen; so kann z.B. die Fensterlüftung nicht immer
eingesetzt werden (z.B. bei einem Atrium ohne
Verbindung nach außen oder bei sehr hohen
Ansprüchen an das Raumklima, wie z.B. Museen,
Archive, etc., welche einen genau definierten
Raumzustand (Lufttemperatur, relative Luftfeuchte,
etc.) für die beschädigungsfreie Aufbewahrung des
historischen Ausstellungsguts erfordern). Insofern
können gelegentlich andere passive Maßnahmen
sinnvoller sein.
Da bei der Mehrzahl der Bauvorhaben die Fassade
– und hierbei speziell der transparente Bereich –
und die Fensterlüftung im Vordergrund stehen,
wird in den nachfolgenden beiden Kapiteln ausführlich auf diese beiden dominierenden passiven
Maßnahmen eingegangen.
Anschließend werden auch die Speichermassen als
wichtige passive Maßnahme kurz behandelt.
Abschließend wird als wesentliches Entscheidungskriterium bezüglich der Ökokonzepte dargestellt,
wie die mit Hilfe passiver Maßnahmen zu erreichenden sommerlichen Klimaverhältnisse anhand
der thermischen Behaglichkeit bewertet werden
können.
Im engen Zusammenhang damit werden auch die
Grenzen der passiven Maßnahmen aufgezeigt.
Danach wird im letzten Kapitel kurz auf wirtschaftliche Aspekte im Zusammenhang mit Klimakonzepten eingegangen.
7
3.
Fassade
3.1
Grundlagen
3.1.1 Funktionen und Anforderungen
Die Fassade stellt als Bindeglied zwischen dem
Gebäude und der Außenwelt zunächst einen ganz
wesentlichen Einflussparameter auf die Gestaltung
dar. Darüber hinaus ist sie jedoch auch im Hinblick
auf die Energieströme und sonstiger Wechselwirkungen zwischen innen und außen von maßgeblicher Bedeutung.
Im folgenden werden sich die Betrachtungen im
Hinblick auf das Thema des Buches auf solche
Beurteilungskriterien konzentrieren, die im engen
Zusammenhang mit Energieeinsparungen bzw.
Gebäudetechnik eine bedeutende Rolle spielen.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass Anforderungen
an die Fassade aus verschiedenen technischen
Funktionen (z.B. Statik, Akustik, Brandschutz,
Feuchte, Radartechnik, etc.) resultieren und berücksichtigt werden müssen; insbesondere die
Wechselwirkungen sind von höchster Bedeutung
(z.B. Schallschutz und Fensterlüftung, siehe Abb.
4) und erfordern daher zwingend eine integrale
Betrachtungsweise.
Um einen ersten Eindruck dieses komplexen Spannungsfeldes bei der Fassadengestaltung zu erhalten,
sind in Abbildung 4 am Beispiel einer doppelschaligen Fassade einige wesentliche Einflussfaktoren
bzw. Funktionen aufgezeigt.
Neben den gestalterischen Anforderungen – die
Fassade definiert das äußere Erscheinungsbild des
Gebäudes – sind es vor allem die technischen
Anforderungen, denen sie Genüge leisten muß. Sie
soll derart ausgebildet sein, dass
• im Sommer eine Überhitzung der Räume
vermieden wird,
8
•
•
•
•
•
•
•
über öffenbare Fenster natürlich gelüftet wird,
der Sonnenschutz vor Wind und Wetter
geschützt ist,
ausreichend Tageslicht in den Raum einfällt,
im Winter möglichst viel Sonne eingefangen
wird,
ein ausreichender Schutz gegen Außenlärm
erreicht wird,
Brandüberschlag vermieden wird und
auch ökonomischen Aspekten Rechnung
getragen wird.
Darüber hinaus wird die optimale Fassadengestaltung erschwert, indem einige der aufgeführten
Zielsetzungen starke Wechselwirkungen aufweisen
und sich sogar entgegenwirken. So ist der Schutz
gegen Außenlärm schwierig zu erreichen, wenn
große Fensterflächen zu Lüftungszwecken offenstehen; ebenso wenn großflächige Verglasungen im
Winter hohe solare Wärmegewinne ermöglichen,
im Sommer aber zu einer starken Überhitzung
führen; oder wenn für die Begrenzung des solaren
Wärmeeintrags ein möglichst dichter Sonnenschutz
gewählt wird, der jedoch so wenig Tageslicht in die
Räume hineinlässt, dass darin die künstliche Beleuchtung eingeschaltet werden muss.
Diese Beispiele (und es gibt noch viele weitere
davon) zeigen bereits, dass eine optimale Fassadenausbildung eine Vielzahl von sich zum Teil
widersprechenden Anforderungen unter einen Hut
bringen muss, und somit immer einen bestmöglichen Kompromiss zwischen den einzelnen
Bereichen bedeutet.
Der hierzu zwingend erforderliche integrale Ansatz,
der nur in einem wirklich konstruktiv zusammenarbeitenden Team verwirklicht werden kann, ist
daher für die Qualität der Planung von herausragender Bedeutung.
Die Zeit der Einzelkämpfer, die ausschließlich ihre
eigenen Interessen verfolgen, sollte damit endgültig
abgelaufen sein.
9
3.1.2 Fassadentypen
Um den an die Fassade gestellten Anforderungen
gerecht zu werden, ist die Wahl des richtigen
Fassadentyps aus einer Vielzahl von Möglichkeiten
ein entscheidender Planungsschritt.
Einen Überblick über die üblichen Fassadentypen
gibt - ohne Anspruch auf Vollständigkeit – Abbildung 5.
Demgegenüber bietet eine doppelschalige Fassade
einige andere Vorteile:
• Im Hinblick auf den winterlichen Wärmeschutz kommen im Falle der Fensterlüftung
die solaren Wärmegewinne im Fassadenzwischenraum (FZR), welche zu einer
Dabei liegt die wesentliche Entscheidung bei der
Wahl der Fassade darin, ob sie einschalig oder
doppelschalig (sog. „Klimafassade“) ausgeführt
wird.
Die standardmäßige einschalige Fassade weist in
der Regel folgende Vorteile auf:
• wirtschaftlich günstig realisierbar,
• in Kombination mit einem geeigneten außenliegenden Sonnenschutz kann ein sehr guter
sommerlicher Wärmeschutz erzielt werden,
• die Fenster können direkt nach außen geöffnet
werden (nutzerfreundlich, da keine zusätzliche
Glasscheibe vor dem geöffneten Fenster angeordnet ist).
•
Vorwärmung der Luft führen, zum Tragen.
Diese Lufterwärmung ist jedoch auch im
Sommer zu erwarten – insbesondere bei
direkter Besonnung und geschlossenem
Sonnenschutz – was bei Fensterlüftung zu
unangenehm hohen Zulufttemperaturen führen
kann.
Die doppelschalige Fassade weist eine deutlich
bessere Schutzwirkung sowohl in akustischer
Hinsicht (besserer Schutz gegen Außenlärm)
wie auch im Hinblick auf äußere Einflüsse
(Witterung, Wind, etc.) auf. Denn der Fassadenzwischenraum bietet die Möglichkeit, einen
hocheffizienten Sonnenschutz anzuordnen, der
vor Wind und Wetter geschützt ist und ggfs.
auch tageslichtlenkende Eigenschaften besitzt
10
•
•
(besonders vorteilhaft für Gebäude, die einem
intensiven Windangriff ausgesetzt sind, z.B.
Hochhäuser).
Der gute Witterungsschutz durch die äußere
Verglasung ermöglicht auch einen Nachtlüftungsbetrieb zur nächtlichen Entwärmung
der Speichermassen, der über offene Fenster
der Innenschale recht einfach zu realisieren ist.
Im Fassadenzwischenraum einer doppelschaligen Fassade ist auch der Einsatz von Sonnenschutz- bzw. Tageslichtlenk-Elementen mit
hochreflektierenden Oberflächen möglich.
Darüber hinaus eignet sich eine doppelschalige
Fassade in der Regel auch gut für die Sanierung alter Fassaden, denen eine zweite Haut
vorgestellt wird.
Beide Fassadentypen weisen Vor- und Nachteile
auf, so dass eine Entscheidung nur im Zusammenhang mit den jeweiligen, für das Bauvorhaben
spezifischen, Anforderungen getroffen werden
kann. Folgerichtig kann auch der optimale
Sonnenschutz nur im engen Zusammenhang mit
dem jeweiligen Fassadentyp und den objektspezifischen Möglichkeiten gewählt werden.
11
3.1.3 Energierelevante Themen und
korrespondierende Kennwerte
Für die Beurteilung unterschiedlicher technischer
Fassadenqualitäten im Hinblick auf den Energieverbrauch ist die Kenntnis der korrespondierenden
Kennwerte unerläßlich. Je nach Fragestellung sind
dabei unterschiedliche physikalische Kennwerte der
verglasten Fassadenbereiche maßgeblich, die im
Folgenden näher betrachtet werden.
Winterliche Heizwärmeverluste
Die winterlichen Heizwärmeverluste (auch
„Wärmedämmqualität“) werden durch folgenden
energetischen Kennwert gekennzeichnet: Wärmedurchgangskoeffizient u in [W/m²K].
Dieser setzt sich gemäß /1/ aus den Wärmeübergangskoeffizienten α, jeweils außen und innen,
sowie dem Wärmedurchlasskoeffizienten Λ zusammen (siehe Abb. 6).
Die Wärmedämmeigenschaften einer Fassade werden somit durch den Wärmedurchgangskoeffizienten (u-Wert) bzw. dem als Wärmedurchlasswiderstand R bezeichneten reziproken Wert 9) von u
repräsentiert.
Die inneren und äußeren Wärmeübergangskoeffizienten α i und α a hängen im wesentlichen von der
Temperaturdifferenz zwischen Oberfläche und angrenzender Luft und von der Luftgeschwindigkeit
in der Nähe der Oberflächen (z.B. Wind) ab, so
dass dieser Anteil des Wärmedurchgangskoeffizienten u kaum durch die Verglasungsart beeinflusst
werden kann.
Der Anteil des Wärmedurchgangskoeffizienten u,
der durch den Wärmedurchlaßkoeffizient Λ welcher letztlich den thermischen Widerstand des
Isolierglasverbunds repräsentiert – gegeben ist,
lässt sich demgegenüber sehr wohl durch die Ausbildung der Verglasung beeinflussen.
So wird der konvektive Wärmetransport zwischen
den beiden Glasscheiben durch die Füllung des
Scheibenzwischenraums mit Edelgasen minimiert
(Gasfüllung, siehe in Abb. 7 mit dem typischen
Aufbau einer Wärmeschutzisolierverglasung 10) ).
Der thermische Strahlungsaustausch zwischen den
beiden Glasscheiben wird mit Hilfe einer speziellen
Beschichtung mit geringer Emissivität ε (low-e
coating) auf einer der beiden Glasoberflächen zum
Scheibenzwischenraum reduziert (Wärmefunktionsschicht, siehe in Abb. 7).
9)
Reziprok-Wert = Kehrwert
Quelle: Bildarchiv der Fa. INTERPANE,
Plattling
10)
12
Mit Hilfe der in den letzten Jahrzehnten stets weiterentwickelten Dämmeigenschaften hat sich der
erreichbare u-Wert von Verglasungen enorm verbessert, wie in Abb. 8 zu erkennen ist.
Die heute üblichen Wärmeschutzisolierverglasungen liegen mit ihren u-Werten in einem Bereich
von ca. 1,0...1,3 W/m²K. Dabei wird eine erhöhte
Wärmedämmung (d.h. ein niedrigerer u-Wert)
mittels low-e-Beschichtungen und Gasfüllungen (in
der Regel Argon-Gas) im Scheibenzwischenraum
der beiden Glasscheiben erzielt (vgl. dazu Abb. 7).
Mit Dreifachverglasungen, teureren Gasen (z.B.
Krypton, Xenon, etc.) und/oder mehreren Beschichtungen lassen sich noch bessere Werte (derzeit bis
zu u = 0,5 W/m²K) erreichen (siehe Abb. 8).
In naher Zukunft wird mit Hilfe von VakuumVerglasungen 11) , die derzeit bereits in den Entwicklungslabors der Glashersteller existieren, eine
weitere Verbesserung der Dämmeigenschaften von
Verglasungen erreicht werden können.
11)
Isolierglasverbund, der zwischen den beiden
Glasscheiben ein Vakuum aufweist
13
Sommerlicher Überhitzungsschutz
Der sommerliche Überhitzungsschutz (auch
„Sonnenschutzqualität“) wird durch folgenden
energetischen Kennwert gekennzeichnet:
Gesamtenergiedurchlaßgrad g in [%].
Der Gesamtenergiedurchlaßgrad g gibt an, welcher
Anteil der auf die Fassade auftreffenden Globalstrahlung im angrenzenden Raum als Wärme
wirksam wird; dabei unterteilt er sich in die
Strahlungstransmission τe, welche die in Form von
solarer Strahlung in den Raum eindringende
Wärme repräsentiert, und die sekundäre Wärmeabgabe qi, welche die konvektiv an der aufgrund
Absorption erwärmten Innenscheibe in den Raum
abgegebene Wärme darstellt (vgl. Abbildung 9).
Eine standardmäßige Wärmeschutzisolierverglasung weist z.B. einen g-Wert von ca. 62% auf.
ben eine wichtige Rolle (gefärbtes Glas weist z.B.
eine deutlich erhöhte Absorption auf; bei Verbundsicherheitsglas bewirkt die Folie zwischen den
beiden Scheiben eine erhöhte Absorption).
Der Gesamtenergiedurchlaßgrad g darf nicht mit
dem Durchlaßfaktor b nach VDI 2078 /2/ verwechselt werden, welcher üblicherweise der
Dimensionierung von Kühlanlagen zugrunde
gelegt wird. Denn der b-Wert bezieht sich aus
historischen Gründen auf den Gesamtenergiedurchlaßgrad einer unbeschichteten Isolierverglasung. Zwischen dem Gesamtenergiedurchlaßgrad
(g-Wert) und dem Durchlaßfaktor (b-Wert) einer
Fassade besteht nach VDI 2078 folgender Zusammenhang:
b = g/0,80
Der g-Wert von Verglasungen wird beeinflusst von:
• der Art der Beschichtung (low-e-Beschichtung bei Wärmeschutzverglasungen; spezielle Sonnenschutzbeschichtungen bei Sonnenschutzisolierverglasungen).
• der Lage der Beschichtung (üblicherweise
Position 3: Außenseite der Innenscheibe,
vgl. Abb. 7).
Darüber hinaus spielt auch die Oberflächenreflexion und das Absorptionsverhalten der Glasschei14
Tageslichtverhältnisse
Die Tageslichtverhältnisse (auch „Tageslichtqualität“) werden mittels folgendem energetischen
Kennwert gekennzeichnet:
Tageslichttransmission τL in [%].
Die Lichttransmission τL gibt ähnlich wie der
g-Wert den Anteil des auf die Fassade auftreffenden
Tageslichts an, der in den angrenzenden Raum eindringt. Dabei ist zu beachten, daß sich die Lichttransmission τL ausschließlich auf den Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts (ca. 380...780 nm)
bezieht, wohingegen sich die Strahlungstransmission τE (Strahlungsanteil des Gesamtenergiedurchlaßgrades) auf die sogenannte „kurzwellige
Strahlung“ im Wellenlängenbereich der solaren
Strahlung (ca. 280...2500 nm) bezieht (vgl. Abbildungen 11 und 12).
Die Lichttransmission τL der Verglasungen wird im
wesentlichen von der Stärke der Glasscheiben und
von der Art der Beschichtung beeinflusst. Eine
heute übliche Wärmeschutzisolierverglasung weist
eine Lichttransmission von ca. 74..78% auf.
Bei geschlossenem Sonnenschutz sind hinsichtlich
der Lichttransmission folgende dominante Einflüsse zu nennen:
• Art des Sonnenschutzes (Lamellen oder
Gewebe),
• Geometrie des Sonnenschutzes (z.B. Neigungswinkel der Lamelle, Abstand der Lamellen relativ zueinander, etc.) und
• Oberflächeneigenschaften des Sonnenschutzes
(z.B. Farbe, matt oder spiegelnd, etc.).
Um helle freundliche Räume mit guten Tageslichtverhältnissen zu erreichen, sollte eine möglichst
hohe Lichttransmission der Verglasungen angestrebt werden; allerdings muß dabei darauf geachtet
werden, daß Blenderscheinungen vermieden werden. Darüber hinaus sollte auch bei geschlossenem
Sonnenschutz noch ausreichend Tageslicht in den
Raum einfallen, um nicht das Einschalten des
Kunstlichts erforderlich zu machen.
15
3.1.4 Strahlungsphysikalische
Eigenschaften von Glasfassaden
Die Betrachtung konzentriert sich hier im Zusammenhang mit energiesparenden Konzepten insbesondere auf den Gesamtenergiedurchlaßgrad (gWert) von Fassaden, da durch gute Sonnenschutzeigenschaften der solare Wärmeeintrag in den angrenzenden Raum im Sommer sinnvoll begrenzt
und somit eine zusätzliche Kühlung vermieden
bzw. minimiert werden kann.
Die Ermittlung des Gesamtenergiedurchlaßgrades
g einer Fassade basiert auf der spektralen Verteilung von Transmission, Reflexion und Absorption
der einzelnen Oberflächen (Glasscheiben mit/ohne
Beschichtung und/oder Oberfläche der Sonnenschutzelemente).
Zur Veranschaulichung ist hierzu in Abb. 11 exemplarisch die Spektralverteilung einer unbeschichteten Glasscheibe (Floatglas 6 mm) dargestellt.
Darin ist zu erkennen, daß das normale Glas im
Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichtes (ca.
380...780 nm) in etwa die selben Werte von
Transmission, Absorption und Reflexion aufweist
wie im längwelligen infraroten Bereich.
Anhand dieser typischen Spektralverteilung ist die
generelle Problematik von Verglasungen zu erkennen:
Auf der einen Seite soll möglichst viel Tageslicht in
den Raum eindringen, was eine hohe Transmission
im Spektralbereich des sichtbaren Lichtes erfordert.
Andererseits soll der solare Wärmeeintrag im Sommer möglichst gut begrenzt werden, um das Erfordernis einer Kühlanlage zu vermeiden. Hierfür sind
möglichst niedrige Transmissions- und Absorptionswerte im gesamten Wellenlängenbereich der
solaren Strahlung (ca. 300...2500 nm) notwendig.
Im Winter hingegen sind solare Wärmegewinne
wiederum erwünscht.
Es wird klar, dass die gleichzeitige Erfüllung der
sich widersprechenden Anforderungen prinzipiell
nicht komplett zu erfüllen ist, da das Tageslicht ein
Teilbereich der solaren Strahlung ist. Dennoch gibt
es neue Entwicklungen in der Glasindustrie, die
diese „Quadratur des Kreises“ zumindest teilweise
ermöglichen.
16
Beschichtete Glasscheiben
Eine mittlerweile hochentwickelte und im Markt
eingeführte Technik ist die Beschichtung von Glasscheiben mit einer oder mehreren metallischen
Schichten übereinander.
Wie enorm die spektrale Verteilung von Transmission, Reflexion und Absorption mittels einer hochwertigen Beschichtung verändert werden kann,
zeigt eindrucksvoll die Spektralverteilung der
speziell beschichteten Glasscheibe einer neutralen
(d.h. nicht spiegelnden und nicht eingefärbten),
hochselektiven Sonnenschutzverglasung (Abb. 11).
Hierbei handelt es sich um die hochselektive
Sonnenschutzverglasung ipasol natura 66/34 der
Fa. INTERPANE 12) . Mit Hilfe der Beschichtung
soll eine möglichst niedrige Absorption a (damit
sich die Glasscheibe nicht zu stark erwärmt) und
Strahlungstransmission τE (damit wenig Solarstrahlung in den Raum gelangt) erreicht werden.
Letzteres gilt jedoch nicht für den gesamten
Wellenlängenbereich der Solarstrahlung, denn im
Wellenlängenteilbereich des sichtbaren Lichts soll
12)
Näheres zur Fa. INTERPANE AG, Plattling, ist
im Internet zu finden unter www.interpane.net
gleichzeitig eine hohe Lichttransmission τL erzielt
werden, um viel Tageslicht in den Raum einfallen
zu lassen.
Wie in der Abb. 11 zu sehen ist, führen die genannten Anforderungen zu einem ausgeprägten
„Buckel“ der Transmission im Wellenlängenbereich der sichtbaren Lichts (ca. 380...780 nm).
Auf der Basis derartiger Spektralverteilungen werden die Werte für den Gesamtenergiedurchlaßgrad
g und die Lichttransmission τL mittels einer gewichteten Integration über alle Wellenlängenbereiche der solaren Strahlung nach dem Verfahren
der EN 410 /3/ (ehemals DIN 67507 /4/) ermittelt.
Dabei repräsentieren die Gewichtungsfaktoren der
einzelnen Wellenlängenbereiche die ungleichmäßige Spektralverteilung der Solarstrahlung, wie
sie auf der Erdoberfläche normalerweise auftrifft.
Das Bestreben, gleichzeitig viel Tageslicht und
wenig Solarstrahlung in den Raum zu lassen, wird
durch die Kenngröße Selektivität s repräsentiert.
Die Selektivität s gibt das Verhältnis von Lichttransmission τL und Strahlungstransmission τE an,
es gilt:
s = τ L /τ E
17
Dies bedeutet, daß eine Verglasung mit einer
Selektivität s > 1,0 mehr Tageslicht als solare
Strahlung hindurchläßt.
Mit neuartigen Beschichtungen, die immer mehr
einzelne Schichten unterschiedlicher Zusammensetzung aufweisen, wird versucht, eine möglichst
hohe Selektivität zu erreichen; derzeit weisen die
besten Produkte am Markt eine Selektivität bis zu
ca. s = 2,0 auf (z.B. das Produkt ipasol neutral
68/34 der Fa. Interpane, welches erst seit 2001 auf
dem Markt ist).
18
3.1.5 Strahlungsphysikalische Eigenschaften von Sonnenschutzsystemen
Im Gegensatz zu den Verglasungen, für die in der
Regel die Hersteller Angaben über die energetischen Kennwerte machen, stellt sich die Ermittlung des für die sommerlichen Kühllasten
maßgeblichen Gesamtenergiedurchlaßgrades der
gesamten Fassade - also der Kombination der
Verglasungen und des gewählten Sonnenschutzsystems - deutlich schwieriger dar.
Um den Sonnenschutz für den Gesamtenergiedurchlaßgrad der Fassade zu berücksichtigen, wird
im Allgemeinen der Abminderungsgrad z des
jeweiligen Sonnenschutzes angegeben. Dieser Wert
gibt an, um wieviel der Gesamtenergiedurchlaßgrad
der Verglasung durch den Sonnenschutz reduziert
wird, d.h. es gilt
g F = g V ⋅z S
Der Gesamtenergiedurchlaßgrad der Fassade g F
ergibt sich somit aus dem Produkt des Gesamtenergiedurchlaßgrades der Verglasung g V und dem
Abminderungsgrad z S des Sonnenschutzes.
schutzhersteller bescheinigen ihren Produkten
ebenfalls Richtwerte), die bei Kühllastrechnungen
für die Dimensionierung der Kühlanlage zum
Einsatz kommen. Diese Werte repräsentieren
jedoch nur einen Mittelwert für viele Anwendungsfälle und mit entsprechender Bandbreite.
Dabei werden folgende Detail-Einflüsse aufgrund
der erforderlichen Allgemeingültigkeit außer Acht
gelassen:
• Die Spektralverteilungen von Absorption,
Reflexion und Transmission der einzelnen
Scheiben und der
Sonnenschutzoberflächen. Im günstigen
Fall ergänzen sich die Spektralverteilungen von Verglasung (vgl. Abb. 10 und 11)
und Sonnenschutz (siehe Abb. 12); im ungünstigen Fall erreicht der Sonnenschutz
nicht die gewünschte Effizienz, was
insbesondere bei Oberflächen mit großer
Selektivität eintreten kann.
Das Problem stellt sich nun in der korrekten Ermittlung des Abminderungsgrades z des Sonnenschutzes. Zwar gibt die VDI 2078 /2/ hierfür allgemeine,
grobe Orientierungswerte an (und einige Sonnen19
•
Die Hinterlüftung der Fassade ist bei
geeigneter Ausbildung durchaus in der
Lage, einen erheblichen Anteil der
konvektiven Wärmeabgabe von
Verglasung und Sonnenschutz
abzutransportieren und somit die solare
Belastung des angrenzenden Raumes zu
begrenzen.
•
20
•
Die Abhängigkeit des Gesamtenergiedurchlaßgrades der Fassade g F vom Winkel der auftreffenden Sonnenstrahlen wird ebenfalls
vernachlässigt. Dabei spielt dies insbesondere
bei Sonnenschutzsystemen in Form von
Lamellen eine erhebliche Rolle, wie Abb. 14
mit den winkelabhängigen g-Werten 13) T zu
entnehmen ist.
Darin ist gut zu erkennen, daß bei der häufig
voreingestellten Lamellenstellung von 45° im
Falle von sehr flacher Sonne (0..10°) der
Außensonnenschutz nur einen Abminderungsgrad von ca. z S = 0,20..0,35 erreicht. Bei normalen Sonnenhöhen von ca. 30..60° kann
damit hingegen ein Abminderungsgrad von ca.
z S = 0,1 erzielt werden. Falls keine automatische Nachführung der Sonnenschutzlamellen
zum Einsatz kommt, ist somit der Ansatz eines
konstanten Abminderungsgrades (z S -Wert) nur
sehr bedingt repräsentativ.
Auf Basis der oben genannten groben Anhaltswerte
ist zwar eine Systementscheidung möglich (z.B.
Innen- oder Außensonnenschutz), eine detaillierte
Optimierung der Fassadenbauteile hinsichtlich
Farbgebung, Geometrie, Hinterlüftung etc. ist jedoch nicht durchführbar.
Hinter den o.g. Einflussfaktoren verbirgt sich oftmals ein erhebliches Optimierungspotential (vgl.
dazu Kap. 3.3) im Hinblick auf eine bestmögliche
Begrenzung des solaren Wärmeeintrags, welche zur
Vermeidung einer zusätzlichen Kühlung der Räume
meist erforderlich ist. Allerdings ermöglicht erst die
Quantifizierung der Fassadenverbesserung im
Zusammenhang mit dem finanziellen Aufwand eine
ausgewogene Entscheidungsfindung.
Window Information System (WIS) /5/) zur
Verfügung, mit deren Hilfe sich der Gesamtenergiedurchlaßgrad g sowie die Lichttransmission τL
für die jeweilige Kombination von Verglasung und
Sonnenschutz berechnen lassen.
In den folgenden Kapiteln 3.2 und 3.3 wird ein
Überblick über die derzeitig auf dem Markt erhältlichen Verglasungen und Sonnenschutzsysteme ohne Anspruch auf Vollständigkeit - gegeben,
wobei auch wesentliche Einflussparameter auf die
Sonnenschutzqualität von Fassaden exemplarisch
aufgezeigt werden.
Für die Optimierung der Sonnenschutzqualität einer
Fassade (Verglasung und Sonnenschutz) sind daher
detaillierte strahlungsphysikalische Berechnungen
erforderlich, die auf der spektralen Verteilung von
Transmission, Reflexion und Absorption der einzelnen Bauteile (Glasscheiben und Sonnenschutzelemente) basieren und die wesentlichen Energietransportmechanismen
• Transmission der Solarstrahlung durch die
einzelnen Fassadenelemente,
• Erwärmung der Bauteile durch Absorption der
Solarstrahlung,
• konvektive Wärmeabgabe der Bauteile an die
jeweiligen Luftschichten und teilweiser Abtransport der Wärme durch Luftströme,
• Strahlungsaustausch der Wärme zwischen den
einzelnen Oberflächen der Bauteile
berücksichtigen. Heutzutage stehen für diese komplexen Berechnungen Computerprogramme (z.B.
13)
Die dargestellten Werte wurden mit der Software
WIS /5/ berechnet
21
3.2
Verglasungen
3.2.1 Verglasungstypen
Die transparenten Bereiche einer Fassade werden
meist in Form von Verglasungen realisiert.
Hinsichtlich des Aufbaus der Verglasungen ist zunächst zwischen Isolierverglasung - d.h. zwei Glasscheiben im Isolierglasverbund, die über den Randverbund zusammengehalten werden - und Einfachverglasungen (nur eine einzelne Glasscheibe) zu
unterscheiden (siehe Abb. 15).
Einfachverglasungen kommen aufgrund ihrer
relativ niedrigen Wärmedämmung bei normalen
Gebäudefassaden heutzutage nicht mehr zum
Einsatz. Als Witterungsschutz eines Innenhofs
hingegen oder als vorgehängter Schutz für das
Sonnenschutzsystem wird auch heute noch häufig
eine Einfachverglasung verwendet.
Die aktuellen marktüblichen Isolierverglasungen
lassen sich herstellerunabhängig in folgende drei
Kategorien einteilen:
•
Unbeschichtete Isolierverglasungen mit Luft
im Scheibenzwischenraum,
•
Wärmeschutzisolierverglasungen mit einer
low-e-Beschichtung auf einer der beiden
Innenseiten und Gasfüllung (i.d.R. Argon) im
Scheibenzwischenraum,
•
Sonnenschutzisolierverglasungen mit speziellen, mehrlagigen Beschichtungen auf einer
oder beiden Innenseiten und Gasfüllung im
Scheibenzwischenraum.
Im Gegensatz zu unseren europäischen Nachbarländern kommen unbeschichtete Isolierverglasungen innerhalb der Bundesrepublik Deutschland seit
ca. 10...15 Jahren nicht mehr zum Einsatz, da sie
den Anforderungen der Wärmeschutzverordnung
hinsichtlich der Wärmedämmqualität nicht gerecht
werden. Insofern sind Wärmeschutzisolierverglasungen mit einem Wärmedurchgangskoeffizienten der Verglasung von k V = 1,1...1,3 W/m²K
heutzutage in der BRD durchaus üblich.
22
3.2.2. Energetische Kennwerte
In Abbildung 16 ist Gesamtenergiedurchlaßgrad g
(vgl. Abschnitt 3.1.3) für die meisten Verglasungsarten dargestellt.
Wie darin zu erkennen ist, weist die unbeschichtete
Einfachverglasung aus normalem Floatglas, die
häufig aus Sicherheitsgründen als Verbundsicherheitsglas 14) ausgeführt wird, einen Gesamtenergiedurchlassgrad g von ca. 80% und eine Lichttransmission τ L von ca. 90% auf.
Der Isolierglasverbund aus zwei unbeschichteten
Floatglasscheiben zeigt nur geringfügig bessere
Werte, nämlich einen Gesamtenergiedurchlassgrad
g von ca. 75% und eine Lichttransmission τ L von
ca. 80%.
Einen deutlich besseren Gesamtenergiedurchlaßgrad zeigen hingegen die beschichteten Wärmeschutzverglasungen mit g-Werten im Bereich von
ca. 50..65%. Diese Verglasungen erreichen auch
eine recht gute Tageslichttransmission von ca.
τ L = 70...75%.
Es ist zu erkennen, daß es erst mit Hilfe von
Beschichtungen auf den inneren, geschützten
Oberflächen der Glasscheiben gelingt, selektive
Verglasungen zu erhalten. Denn die Wärmeschutz14)
Verbundsicherheitsglas: Zwei Glasscheiben, die
durch eine reißfeste, durchsichtige Folie zwischen
den Scheiben verbunden sind
verglasungen zeigen bereits eine gewisse Selektivität von s = 1,1...1,5, d.h. bei diesen Verglasungen
fällt ca. eineinhalb mal so viel Tageslicht in den
Raum wie solare Wärme eindringt.
Falls bei großflächig verglasten Gebäuden ein effizienter Außensonnenschutz nicht möglich ist, kommen häufig die hochentwickelten Sonnenschutzverglasungen zum Einsatz, um den solaren Wärmeeintrag dennoch einigermaßen begrenzen zu
können.
Die in früheren Jahrzehnten häufig verwendeten
sehr starken Sonnenschutzverglasungen zeigen
zwar sehr gute g-Werte von ca. 23...30%; da deren
Sonnenschutzwirkung jedoch entweder auf einer
starken Reflexion („Spiegelgläser“) oder hohen
Absorption (eingefärbte Gläser) beruhen, haben
diese älteren Verglasungen häufig unzureichende
Tageslichtverhältnisse in den angrenzenden
Räumen zur Folge. Da die Spiegelung oder die
Einfärbung auch sehr starke Auswirkungen auf das
äußere Erscheinungsbild des Gebäudes haben,
kommen heutzutage meist neutrale hochselektive
Sonnenschutzgläser zum Einsatz. Diese weisen
hauptsächlich im nicht-sichtbaren UV- oder
Infrarot-Wellenlängenbereich eine hohe Reflexion
auf, so daß sie im sichtbaren Bereich nicht
spiegelnd und verfärbt erscheinen (vgl. Abb. 11).
Trotz ihres Erscheinungsbildes, daß nahezu dem
der Wärmeschutzverglasungen gleichkommt,
weisen sie hervorragende Gesamtenergiedurchlaßgrade von ca. g = 29...40% und relativ gute Tageslichttransmissionen von ca . τ L = 50...70% auf.
23
3.2.3 Solarer Wärmeeintrag und
Tageslicht
Bei vielen Bauvorhaben ist ein effizienter außenliegender Sonnenschutz nicht gewünscht und/oder
nicht realisierbar. Um dennoch eine möglichst gute
Begrenzung des solaren Wärmeeintrags zu erreichen und somit auf Kühlung weitgehend verzichten zu können, wird in diesen Fällen recht
häufig eine sehr starke Sonnenschutzverglasung
gewählt. Besonders bei Innenhöfen oder Atrien mit
Glasdächern wird häufig aus Gründen der Transparenz auf einen Sonnenschutz verzichtet.
Die Wahl einer sehr starken Sonnenschutzverglasung ist auch durchaus sinnvoll, solange keine
Büroräume oder andere tagesbelichtete Räume
direkt an den Innenhof angrenzen. Denn wie in
Abschnitt 3.2.2 aufgezeigt, läßt sich die solare Belastung eines Raumes mit Hilfe dieser hochentwickelten Sonnenschutzverglasungen auf ca.
20...30% begrenzen. Allerdings ist mit diesen guten
Werten für den Gesamtenergiedurchlaßgrad auch
eine relativ geringe Tageslichttransmission verbunden (ca. 40...50%). Dies bedeutet, daß die Tageslichtverhältnisse in Innenhöfen mit Glasdach und
gebäudehoch verglasten Fassaden in der Regel
durchaus ausreichende Beleuchtungsstärken
erreichen.
Deutlich anders stellt sich die Situation jedoch dar,
wenn tagesbelichtete Büroräume direkt an den
Innenhof mit Glasdach angrenzen. Werden in
diesem Fall ebenfalls sehr starke Sonnenschutzverglasungen mit entsprechend niedriger Tageslichttransmission gewählt, so kann mit großer
Wahrscheinlichkeit davon ausgegangen werden,
daß die kritischen angrenzenden Büroräume nicht
mehr genügend Tageslichteinfall aufweisen.
Dies bedeutet, daß bei der Wahl der Sonnenschutzverglasung z.B. für ein Glasdach nicht nur die
erreichbare Sonnenschutzqualität, sondern zwingend auch die erwartbaren Tageslichtverhältnisse
berücksichtigt werden müssen.
Da neben der Tageslichttransmission der Verglasungen auch die jeweils spezifische Geometrie des
Innenhofs einen starken Einfluß auf die Tageslichtverhältnisse in den angrenzenden Büroräumen aufweist, können hierzu keine allgemeinen Richtlinien
abgeleitet werden und es sollte für jedes Bauvorhaben eine entsprechend detaillierte Untersuchung
durchgeführt werden.
Eine sehr gute Möglichkeit für zuverlässige Ergebnisse derartiger Prüfungen sind in tageslichttechnischen Simulationen zu sehen, die auf physikalischen Grundlagen die Verteilung des Tageslichts
im Atrium und den angrenzenden Büroräumen
berechnen können. Die hierfür erforderlichen
Computerprogramme sind heutzutage problemlos
auf dem Markt erhältlich (z.B. RADIANCE /6/).
24
Zur Veranschaulichung ist nachfolgend beispielhaft die Optimierung der Verglasung
eines Glasdachs dargestellt:
Für das Glasdach eines Innenhofes standen
die in Abb. 17 dargestellten Verglasungsvarianten zur Diskussion. Wie Abb. 17 zu
entnehmen ist, wurde dabei für alle Verglasungsvarianten bereits die im Hinblick
auf den Gesamtenergiedurchlaßgrad g
günstigere Position 2 für die jeweilige Beschichtung angesetzt. Neben der Beschichtungsart (low-e Beschichtung für eine Wärmeschutzverglasung, spezielle Sonnenschutzbeschichtung für eine Sonnenschutzverglasung) wurde auch das Basisglas (normales Floatglas oder speziell behandeltes
Weißglas(= eisenoxidarmes Glas)) variiert.
Bei allen betrachteten Varianten war als
untere Glasscheibe eine Verbundsicherheitsscheibe erforderlich, da es sich bei
der Dachverglasung um eine Überkopfverglasung handelt, die besonderen
sicherheitstechnischen Anforderungen
Genüge leisten muß.
Aufgrund des Einsatzes von Silikon für
die Fugenabdichtung in der Glasdachkonstruktion wäre eine Gasdichtheit der
Verglasungen nur mit größerem Aufwand - zusätzliche Blenden zum Schutz
der Silikon-Fugen vor UV-Strahlung – zu
erreichen gewesen; alle Verglasungsvarianten wiesen daher nur eine Luftfüllung
des Scheibenzwischenraums auf.
Bei der Wahl der Verglasung sollte zum
einen der solare Wärmeeintrag in den
glasüberdachten Innenhof möglichst gut
begrenzt werden; insofern sollte die
Verglasung einen möglichst niedrigen
Gesamtenergiedurchlaßgrad aufweisen. Zum anderen mußte jedoch gewährleistet sein, daß die Dachverglasung nicht zuviel Tageslicht abhält, sondern
in allen angrenzenden Büroräumen noch ein ausreichender Tageslichteinfall erzielt wird.
Für die erforderlichen tageslichttechnischen und
bauklimatischen Simulationen war zunächst die
Ermittlung der energetischen Kennwerte auf Basis
der Spektralverteilungen erforderlich (vgl. dazu
Abschnitt 3.1.4). Die Ergebnisse dieser strahlungsphysikalischen Berechnungen für die einzelnen
Verglasungsvarianten sind in Abb. 18 dargestellt.
Dem Diagramm ist zu entnehmen, daß die beste
Sonnenschutzwirkung durch die Sonnenschutzverglasung auf Floatglasbasis erzielt werden kann (ca.
g = 35%); diese Variante weist jedoch auch die
stärkste Tageslichtbegrenzung (ca. τL = 65%) auf.
Der intensivste Tageslichteintrag kann hingegen
mit der Wärmeschutzverglasung auf Weißglasbasis
erreicht werden (ca. τL = 79%); allerdings weist
diese Variante eine eher geringe Sonnenschutzwirkung auf (ca. g = 60%), so daß sie im Hinblick auf
eine gute Begrenzung des solaren Wärmeeintrags
ebenfalls kaum zielführend ist.
Einen guten Kompromiss zwischen ausreichendem
Tageslichteintrag (ca. τL = 76%) und guter Sonnenschutzwirkung (ca. g = 40%) bildet daher eine Sonnenschutzverglasung auf Weißglasbasis.
Inwieweit die mit einer derartigen Verglasung
erreichbaren energetischen Kennwerte für das
jeweilige Projekt ausreichen, kann jedoch nur
mittels projektbezogener tageslichttechnischer und
bauklimatischer Simulationen beurteilt werden, wie
nachfolgend exemplarisch aufgezeigt.
25
In Abb. 19a-d sind die für die jeweilige Dachverglasung zu erwartenden Tageslichtquotienten in
einem kritischen Eck-Büro vergleichend gegenübergestellt.
Fall eine Dachverglasung auf Weißglasbasis eingesetzt werden.
In der DIN 5034 /7/ sind folgende Anforderungen
an tagesbelichtete Räume festgelegt:
• Die beiden Referenzpunkte D1 und D2
sind in einer Höhe von 0,85 m über dem
Boden, in halber Raumtiefe und jeweils
1 m von der Seitenwand entfernt
angeordnet.
• Der Mittelwert der Tageslichtquotienten
an den beiden Referenzpunkten D1 und
D2 muß mindestens 0,9% betragen.
• Der Tageslichtquotient am ungünstigsten
Referenzpunkt darf den Wert von 0,7%
nicht unterschreiten.
Dieses Beispiel zeigt sehr anschaulich, welche
wichtige Rolle bei glasüberdachten Atrien mit
angrenzenden Büroräumen die Wahl der Dachverglasung spielt.
Wie Abb. 19a und 19b zu entnehmen ist, können
die geforderten Mindestwerte in dem betrachteten
Büro bei den Dachverglasungen auf Floatglasbasis
nicht erreicht werden. Nur die beiden Verglasungen
auf Weißglasbasis sind in der Lage, den genannten
Mindestanforderungen gerecht zu werden.
Aus tageslichttechnischen Gründen muß bei der
vorgegebenen Gebäudegeomtrie somit in jedem
26
Neben den Tageslichtverhältnissen kommt den im
glasüberdachten Atrium zu erwartenden sommerlichen Klimaverhältnissen ein entscheidender Einfluß zu, da das Erfordernis einer energieintensiven
Kühlung vermieden werden soll.
In diesem Zusammenhang ergeben sich in Abhängigkeit der Dachverglasung folgende sommerliche
Maximaltemperaturen im Innenhof:
a) Wärmeschutzverglasung auf Floatglasbasis (vgl. Abb. 17a):
T max = +34°C
b) Wärmeschutzverglasung auf Weißglasbasis (vgl. Abb. 17b):
T max = +36°C
c) Sonnenschutzverglasung auf Floatglasbasis (vgl. Abb. 17c):
T max = +32°C
d) Sonnenschutzverglasung auf Weißglasbasis (vgl. Abb. 17d):
T max = +31°C
Es wird deutlich, dass die Dachverglasungen, die
als Wärmeschutzverglasung ausgeführt sind, zu
sehr hohen sommerlichen Maximaltemperaturen
von ca. 34...36°C führen.
Aufgrund ihrer deutlich besseren Sonnenschutzqualität sind die Sonnenschutzverglasungen in der
Lage, die Temperaturen im Atrium auf ca.
31...32°C zu begrenzen. Im Hinblick auf die
Begrenzung des solaren Wärmeeintrags in das Atrium empfiehlt sich bei dem betrachteten Beispiel
eine Sonnenschutzverglasung.
Unter Berücksichtigung der betrachteten Tageslichtverhältnisse und der sommerlichen Klimaverhältnisse empfiehlt sich im Beispiel eine Sonnenschutzverglasung auf Weißglasbasis.
Dieses Beispiel zeigt sehr schön, wie eine integrale
Betrachtungsweise bei der Wahl der Verglasung
unter ökologischen Gesichtspunkten zielführend
sein kann.
27
3.3
Sonnenschutzsysteme
3.3.1 Überblick
ungehindert auf die Verglasungen der NW-Fassade
auf.
Eine im Hinblick auf Energieeinsparung und nachhaltiges Bauen intelligente Fassade verfügt über die
Fähigkeit, auf die mit den Jahreszeiten wechselnden
Anforderungen in adäquater Weise reagieren zu
können.
Im Hinblick auf den solaren Wärmeeintrag stehen
sich die Anforderungen an die Fassade im Winter
und Sommer diametral gegenüber. Denn im Winter
sind solare Wärmegewinne erwünscht, welche
einen möglichst hohen Gesamtenergiedurchlaßgrad
der Fassade erfordern. Im Sommer hingegen soll
eine Überhitzung der Räume bei Besonnung vermieden werden, was neben anderen passiven Maßnahmen zuvorderst einen entsprechenden niedrigen
Gesamtenergiedurchlaßgrad der Fassade bedingt.
Diese gegensätzlichen Anforderungen können nur
von einer Fassade erfüllt werden, die ihre Durchlässigkeit für solare Energie ändern kann.
Die beschriebene Variabilität der Fassadeneigenschaft wird in der Regel mit Hilfe eines beweglichen Sonnenschutzes erreicht.
Im folgenden werden zunächst die beiden wesentlichen Realisierungsmöglichkeiten eines beweglichen Sonnenschutzes – nämlich innenliegend oder
außen angeordnet – ausführlich diskutiert. Anschließend wird auf einige Sonderformen von
Sonnenschutzsystemen eingegangen.
3.3.2 Verschattungssituation
Vor der Diskussion eines möglichen Sonnenschutzsystems empfiehlt es sich, zunächst das Erfordernis
eines Sonnenschutzes abzuklären. Denn bei
manchen Bauvorhaben – gerade in städtischen Ballungsräumen mit vielen Hochhäusern – ist mit einer
starken Verschattung der Fassaden durch umliegende Gebäude zu rechnen. Am Beginn jeder Diskussion über einen Sonnenschutz sollte immer eine
Analyse der spezifischen Verschattungssituation
stehen, um die solare Belastung der Fassade zu
ermitteln.
Hierzu ist in Abb. 20 beispielhaft die spezifische
Verschattungssituation im Verlauf eines sonnigen
Sommertags für eine großflächig verglaste Halle
dargestellt.
Darin ist zu erkennen, dass die Halle trotz vieler
Gebäude in der näheren Umgebung einer intensiven
solaren Belastung ausgesetzt ist. Die Verschattung
durch Nachbargebäude endet an der SO-Fassade ab
ca. 9 Uhr in der Frühe, so daß die Verglasungen
nach SO nahezu den ganzen Vormittag und auch
während der Mittagsstunden direkt von der Sonne
beschienen werden. Ab ca. 15 Uhr nachmittags
treffen die Sonnenstrahlen bis ca. 18 Uhr abends
28
In den beiden Diagrammen in Abb.
22 ist die mit den
Verschattungsbildern korrespondierende
spezifische
Intensität der auf
die beiden
Fassaden auftreffenden
Globalstrahlung 15)
T für den sonnigen
Sommertag aufgetragen.
Den Diagrammen
ist zu entnehmen,
daß die großflächig verglaste
Halle vormittags
sehr stark über
Verglasungen der
SO-Fassade solar
belastet wird;
nachmittags hingegen ist eine starke solare Belastung durch die
Verglasungen der
NW-Fassade zu
erwarten. Die Spitzen der solaren Belastungen treten –
wie anhand der
Verschattungbilder
bereits vermutet –
vormittags und am
späten Nachmittag
auf.
Anhand dieser Verschattungsanalyse ist für die exemplarisch betrachtete Halle festzustellen, dass die
Verschattungswirkung der Umgebungsbebauung
unerwartet gering ist und sich aufgrund der hohen
solaren Strahlungsbelastung im Sommer die Erfordernis einer guten Sonnenschutzqualität der Glasfassaden ergibt.
15)
Globalstrahlung = Summe aus direkter Sonneneinstrahlung und diffuser Himmelsstrahlung
29
3.3.3 Innensonnenschutz
Der innenliegende Sonnenschutz kommt häufig
dann zum Einsatz, wenn aus konstruktiven oder gestalterischen Gründen ein Außensonnenschutz nicht
möglich ist. In der Regel weist der innenliegende
Sonnenschutz jedoch eine deutlich geringere Sonnenschutzwirkung als der Außensonnenschutz auf.
Dies äußert sich in einem Abminderungsgrad von
ca. z = 0,5...0,7 für die meisten Innensonnenschutzsysteme gegenüber deutlich besseren Abminderungsgraden für Außensonnenschutzsysteme von
ca. z = 0,1...0,3.
Innensonnenschutz als Gewebe
Ein innenliegender Sonnenschutz läßt sich generell
entweder in Form eines Gewebes oder als Lamellen
realisieren.
Abb. 22 zeigt einen aufrollbaren Screen der Fa.
artprofil Lichtschutz GmbH 16) , Stuhr, als typisches
Beispiel für den Innensonnenschutz als Gewebe.
Es ist sehr gut zu erkennen, wie der Innensonnenschutz den schrägen Fassadenabschlüssen der Halle
sehr gut angepaßt werden kann.
16)
Näheres zur Firma artprofil Lichtschutz GmbH
ist im Internet zu finden unter www.artprofil.com
30
Bei vertikalen Glasfassaden nutzt man für den Innensonnenschutz häufig die Schwerkraft für das
Ausfahren und Spannen des Screengewebes, indem
ein Gewicht an das untere Ende des Gewebes angehängt wird. Abb. 23 zeigt eine typische Konstruktion für einen Innensonnenschutz in Form eines
aufrollbaren Screens (Rollo) mit einigen typischen
Abmessungen.
31
Innensonnenschutz als Jalousie
Der innenliegende Sonnenschutz kann alternativ
auch in Form eines Raffstores bzw. einer Jalousie
mit vielen verfahrbaren und drehbaren Lamellen
ausgeführt werden.
Dabei können die Lamellen entweder horizontal
(siehe Abb. 24)
Für den Innenbereich kommen alle möglichen
Farben der Jalousien in Betracht, was neben
gestalterischen Effekten auch Einfluß auf das
energetische Verhalten des Innensonnenschutzes
nimmt.
oder vertikal angeordnet sein.
In Abb. 25 ist für das letztgenannte ein Beispiele
der Firma Krülland GmbH & Co KG 17) , Kaarst,
dargestellt.
17)
Näheres zur Fa. Krülland GmbH & Co KG,
Kaarst, ist im Internet zu finden unter
www.kruelland.de
32
Sonnenschutzwirkung
Das größte Manko des innenliegenden Sonnenschutzes ist generell in der eher begrenzten Sonnenschutzwirkung zu sehen. Im Hinblick auf den
solaren Wärmeeintrag ist es energetisch ungünstig,
wenn die Solarstrahlung erst hinter der
Fassadenverglasung, also im Rauminneren,
aufgehalten wird.
Die mit einem innenliegenden Sonnenschutz erreichbare Sonnenschutzqualität hängt im Detail von
der Ausbildung (Gewebe oder Jalousie), den Oberflächeneigenschaften (Reflexion, Absorption und
Transmission, entspricht im wesentlichen der Farbgebung) und der Hinterlüftung ab. Bei Jalousien
kommt außerdem der Winkelstellung der Lamellen
eine große Bedeutung zu.
Ein grober Überblick über die erreichbaren Abminderungsgrade und die maßgeblichen Einflüsse
ist Abb. 26 zu entnehmen.
Es wird deutlich, dass bei der Ausbildung des
Innensonnenschutzes als Screengewebe im wesentlichen die Farbe (hell/dunkel), die Dichtheit des
Gewebes und die Hinterlüftung den erreichbaren
Abminderungsgrad (z-Wert, vgl. Kap. 3.1.5)
beeinflussen. Dabei bedingen die Farbe die
Reflexionseigenschaften des Gewebes, die Dichtheit des Gewebes (Lochanteil) die Transmission
und die Abluftabsaugung den Abtransport der
sekundären Wärmeabgabe. Dem Diagramm ist zu
entnehmen, daß mit Hilfe eines innenliegenden
Screens im Mittel ein Abminderungsgrad von ca.
z = 0,7 zu erreichen ist, der im Falle einer Absaugung der sich am Gewebe erwärmenden Luft auf
ca. z = 0,5 verbessert werden kann.
Falls der Innensonnenschutz in Form einer Jalousie
mit Lamellen ausgeführt wird, kommt neben den
Oberflächeneigenschaften (Farbe bzw. Reflexion)
der jeweiligen Geometrie (Breite der Lamelle und
Abstand der Lamellen zueinander) und insbesonders dem Neigungswinkel eine große Bedeutung
zu. Dabei ist nicht nur der Neigungswinkel der
Lamellen relativ zur Horizontalen, sondern auch
der Sonnenhöhenwinkel entscheidend. Insofern ist
es äußerst schwierig, einen festen Abminderungsgrad für einen Lamellensonnenschutz anzugeben,
da dieser sich permanent mit der Sonnenhöhe verändert (manchmal wird die Neigung der Lamellen
dem jeweiligen Sonnenstand mit einer elektroni-
schen Steuerung angepaßt). Die Werte in Abb. 26
sind für eine recht niedrige Sonnenhöhe (Elevation
der Sonne ca. 0°, d.h. normal auftreffende
Solarstrahlung) berechnet worden und ergeben für
den Lamellensonnenschutz relativ ungünstige
Werte von ca. z = 0,6...0,8. Bei höherer Sonne
(Elevation ca. 40...60°) sind etwas bessere Werte zu
erwarten (vgl. dazu Abschnitt 3.1.5). Für eine optimale Ausbildung in Form von spiegelnden Lamellen (evtl. auch spiegelnde Folien) können die Werte
sogar noch weiter bis auf ca. z = 0,3 reduziert werden.
33
Tageslichtverhältnisse
Vor dem Einsatz eines innenliegenden Sonnenschutzes sollten in ähnlicher Weise wie bei den
Verglasungen immer auch Rückwirkungen auf die
Tageslichtverhältnisse beachtet werden. Der kritische Fall ist jedoch nicht wie bei den Verglasungen
der bedeckte Tag, da zu dieser Zeit der Sonnenschutz nicht ausgefahren ist. Vielmehr wird der
sonnige Tag mit direkter Besonnung der Fassade
und geschlossenem Sonnenschutz betrachtet, denn
es sollte unbedingt vermieden werden, daß durch
das Schließen des Sonnenschutzes der Tageslichteintrag so stark abgemindert wird, daß die
Beleuchtung eingeschaltet werden muß.
Für diese Anforderung ist die Verwendung eines
Screengewebes ungeeignet. Zwar ist durch die detaillierte Ausbildung des Gewebes, z.B. den Lochabstand bzw. die Gewebedichte, eine genügend
hohe Tageslichttransmission erreichbar. Da die
Sonnenstrahlen beim Durchgang durch das Gewebe
aufgrund der sehr kleinen „Löcher“ jedoch in
Streulicht (Umwandlung von direkter (=gerichteter)
Strahlung in diffuse (=ungerichtete) Strahlung)
umgewandelt werden, werden die Gewebe sehr hell
und verursachen häufig Blendungserscheinungen.
Exemplarische Messungen bei innenliegenden
Screens mit hoher Transmission haben ergeben,
dass die Leuchtdichte an kritischen Stellen bis auf
ca. 700...1000 cd/m² ansteigt. Diese Werte liegen
weit oberhalb der für einen Bildschirmarbeitsplatz
zulässigen Werte von ca. 250..300 cd/m² (typische
Leuchtdichte bei heute üblichen Bildschirmen: ca.
80...100 cd/m²).
Die Messungen für den exemplarisch betrachteten
weißen Innensonnenschutz mit hoher Tageslichttransmission zeigen auf, daß bei direkter Besonnung mit erheblichen Blendungserscheinungen für
die Bildschirmarbeitsplätze zu rechnen wäre und in
diesem Fall ein derartiger Innensonnenschutz nicht
zielführend sein kann.
Es liegt zunächst nahe, zur Vermeidung von Blendungserscheinungen ein dichteres Gewebe mit entsprechend niedrigerer Lichtdurchläßigkeit zu wählen. Aufgrund der geringen Lichtdurchläßigkeit ist
nun jedoch davon auszugehen, daß nicht mehr
genügend Tageslicht in den Raum eindringt und
somit das Einschalten des Kunstlichts erforderlich
wird. Somit stellt sich auch ein dichtes Gewebe mit
geringer Tageslichttransmission als nicht zielführend dar.
Die Realisierung eines Innensonnenschutzes in
Form eines Screengewebes stellt sich für normale
Büroräume insgesamt als tageslichttechnisch ungeeignet dar. Demgegenüber bietet die Ausführung
als Jalousie mit drehbaren Lamellen tageslichttechnisch deutliche Vorteile, die ausführlich in
Kap. 3.3.3 und 3.3.4 diskutiert werden.
34
Innensonnenschutz für ein Glasdach
Bei geringer Neigung oder spezieller Form eines
Glasdachs (z.B. Tonnenform) ist bei Glasdächern
häufig ein Außensonnenschutz nicht möglich, so
daß der Sonnenschutz innenliegend realisiert
werden muß.
Um den solaren Wärmeeintrag zu begrenzen, sollte
die Ausbildung eines Warmluftpolsters direkt
unterhalb des Glasdachs vermieden werden, denn
bei gewölbter oder spitzer Form des Glasdachs
besteht die Gefahr, daß sich die aufsteigende
Warmluft bei ungünstigen Lüftungssituationen
direkt unterhalb des Glasdachs aufstaut (siehe
Prinzipskizzen in Abb. 27). Eine ungünstige
Lüftungssituation im Hinblick auf ein Warmluftstau
ist immer dann gegeben, wenn der Luftstrom der
Lüftung unterhalb des Innensonnenschutzes seitlich
abgeführt wird, wie in Abb. 27 im Prinzip dargestellt.
Darin ist zu erkennen, daß bei einer entsprechenden
Hinterlüftung des innenliegenden Sonnenschutzes
die Ausbildung eines Warmluftstaus weitgehend
vermieden werden kann. Dies setzt jedoch öffenbare Fenster am höchstenPunkt des Glasdachs voraus, was sich aus konstruktiven Gründen schwierig
darstellen kann.
Eine im Hinblick auf die Öffnunsgelemente einfachere Lösung ist in Abb. 29 dargestellt. Hier sind
die Fenster an der seitlichen Fassade angeordnet
und die schräge Dachform lässt ein seitliches Abströmen der Warmluft zu.
Dieser Warmluftstau kann zu hohen Oberflächentemperaturen des Innensonnenschutzes führen,
welcher dann wie ein Heizstrahler wirkt und seine
Wärme direkt auf die Köpfe der anwesenden Personen strahlt. Es ist leicht vorstellbar, daß dies zu
thermisch unbehaglichen Zuständen führen kann.
Für die Vermeidung derartiger Warmluftstaus
unterhalb des Glasdachs empfiehlt sich entweder
eine andere Luftführung oder alternativ eine andere
Dachform, wie dies exemplarisch in Abb. 28 aufgezeigt ist.
Allerdings bedeutet die Änderung der Dachform
einen massiven Eingriff in die architektonische
Gestaltung einer Glashalle und sollte daher soweit
als möglich vermieden werden.
35
3.3.4 Außensonnenschutz
Der außenliegende Sonnenschutz weist von allen
Sonnenschutzsystemen die beste Wirkung auf, da er
die solare Wärme gar nicht erst in den Raum
hineinläßt, sondern sie außerhalb der Verglasung
bereits abfängt.
Lamellensonnenschutz
In Analogie zum Innensonnenschutz kann auch der
Außensonnenschutz entweder als aufrollbares
Screengewebe, welches eventuell als Markise ausstellbar ist (siehe Abb. 30),
oder als Raffstore bzw. Jalousie mit horizontalen,
drehbaren Lamellen (siehe Abb. 31)
ausgebildet werden.
Aufgrund der tageslichttechnischen Nachteile, die
mit einem Screengewebe verbunden sind (vgl. Kap.
3.3.3), kommt sehr häufig der Lamellensonnenschutz zum Einsatz.
Der Außensonnenschutz weist einen sehr starken
Einfluß auf das Erscheinungsbild des Gebäudes auf.
Insofern sollte der Außensonnenschutz auch als gestalterisches Mittel begriffen und in die Gebäudekonzeption eingebunden werden.
36
Sonnenschutzwirkung
Die hohe Effizienz des Außensonnenschutzes
spiegelt sich in einem entsprechend guten
energetischen wieder. In Abb. 32 sind die erreichbaren Werte des Gesamtenergiedurchlaßgrades für
einige außenliegende Lamellensonnenschutzsysteme aufgetragen. Außenliegende Screengewebe
sind zwar ebenfalls auf dem Markt erhältlich (z.B.
ausstellbare Markisen, Außenrollos, etc.), kommen
jedoch aufgrund der Tageslichtproblematik (vgl.
dazu Kap. 3.3.4) nur noch selten zum Einsatz.
Um die energetische Überlegenheit des Außensonnenschutzes im Hinblick auf die Begrenzung des
solaren Wärmeeintrags zu verdeutlichen, enthält
das Diagramm in Abb. 32 zu Vergleichszwecken
einen standardmäßigen Innensonnenschutz.
Es wird deutlich, dass mit einem außenliegenden
Lamellensonnenschutz Abminderungsgrade von ca.
z = 0,1...0,2 erreichbar sind.
Die Sonnenschutzqualität hängt im wesentlichen
vom Reflexionsvermögen der Lamellenoberseite
und dem Absorptionsverhalten der Lamellenunterseite ab. Beides wird durch die Farbgebung bzw.
Oberflächenbehandlung bestimmt. Das energetische Optimum ist bei ausschließlicher Betrachtung des erreichbaren Gesamtenergiedurchlaßgrades in einer Lamelle mit spiegelnder Oberseite
(hochglanzpoliertes Aluminium) und schwarzer
Unterseite zu sehen.
Da die spiegelnde Lamellenoberseite beim Außensonnenschutz jedoch starken Witterungseinflüssen
ausgesetzt wäre, die recht schnell zum „Erblinden“
der spiegelnden Oberfläche führen würde, kommen
häufig weiße Oberseiten mit hoher Reflexion zum
Einsatz. Eine schwarze Lamellenunterseite würde
erhebliche tageslichttechnische Probleme verursachen, so daß in der Regel eher graue Lamellenunterseiten verwendet werden (vgl. dazu nachfolgenden Abschnitt).
Generell empfiehlt es sich, für einen Außensonnenschutz eine windfeste Konstruktion zu wählen
(z.B. durch seitliche Führungen), damit bei Besonnung und gleichzeitigem Windangriff der Sonnenschutz nicht aus Sicherheitsgründen hochgefahren
werden muß und die Sonne ungehindert den Raum
aufheizen kann. Mit entsprechend stabilen Konstruktionen können heutige Außensonnenschutzsysteme
durchaus
Windgeschwindigkeiten
bis zu ca.
12 m/s unbeschadet
überstehen.
Die Ausführungen
zur Sonnenschutzwirkung
des außenliegenden
Sonnenschutz
haben
deutlich
gemacht,
daß bei einer ökologischen Zielsetzung – also im
Sinne von Kühlenergieeinsparung - im Falle großflächig verglaster Fassadenbereiche einzig der
Außensonnenschutz als zielführend bezeichnet
werden kann.
37
Tageslichtverhältnisse
Ein Außensonnenschutz bietet zwar die bestmögliche Sonnenschutzwirkung; dennoch müssen auch
die bei geschlossenem Sonnenschutz zu erwartenden Tageslichtverhältnisse genau analysiert werden,
um ein zufriedenstellendes Gesamtergebnis für die
Fassade zu erreichen.
Hierzu eignen sich tageslichttechnische Berechnungen (z.B. mittels RADIANCE /5/), die als Ergebnisse die bei direkter Besonnung und geschlossenem Sonnenschutz zu erwartenden inneren Leuchtdichten liefern. Auch tageslichttechnische Messungen können in diesem Zusammenhang zielführend
sein.
Derartige tageslichttechnische Simulationen zeigen
klar auf, dass bei der früher häufig zum Einsatz gekommen beidseitig silber- oder alufarbenen Standardlamelle bei ungünstigen Sonnenwinkeln mit
erheblichen Blendungserscheinungen zu rechnen
ist, wie dies aus der Praxis leider auch häufig
bestätigt wird. Da diese Blendungserscheinungen
der Standardlamelle z.T. auch auf einen gewissen
Anteil an direkter Reflexion zurückzuführen sind,
empfiehlt sich für die Lamellenunterseite eine rein
diffus reflektierende, dunkle Unterseite. Sowohl
entsprechende tageslichttechnische Berechnungen
wie auch Erfahrungen aus der Praxis zeigen, dass
Blendungserscheinungen bei einer weißen Lamellenoberseite sowohl mit einer grauen wie auch einer
schwarzen Lamellenunterseite weitgehend vermieden werden können.
seite bewirkt ein starke Abschwächung des Tageslichteintrags durch die geneigten Lamellen.
Tageslichttechnische Untersuchungen zeigen, dass
dies zu Beleuchtungsstärken auf dem Schreibtisch
führt, die im Mittel bei ca. 200...300 Lux liegen und
im hinteren Bereich sogar deutlich unter 200 Lux
absinken. Das bedeutet, daß bei einer normalen
Bürotätigkeit, z.B. dem Schreiben mit der Hand,
das Kunstlicht eingeschaltet werden muß. Es ist
somit evident, daß bei einer schwarzen Lamellenunterseite zu wenig Tageslicht in den Raum einfällt
und somit aus tageslichttechnischen Gründen eine
schwarze Lamellenunterseite vermieden werden
sollte. Ein weiterer Nachteil der schwarzen Lamellenunterseite ist darin zu sehen, dass der gesamte
Raum als duster empfunden wird.
Die Lamelle mit weißer Oberseite und grauer Unterseite stellt somit derzeit wohl den besten Kompromiss zwischen solarem Energieeintrag und
Tageslichteinfall für den normalen (ungeteilten)
Außensonnenschutz dar.
Neben den Blendungserscheinungen muß bei der
Wahl der Lamellenoberflächen jedoch die gesamte
Tageslichtsituation im Raum im Auge behalten
werden.
Ein Vergleich zwischen Standardlamelle und Lamellen mit diffus reflektierender Unterseite zeigt,
dass bei der beidseitig silberfarbenen Standardlamelle erwartungsgemäß am meisten Tageslicht in
den Raum einfällt, was jedoch – wie bereits diskutiert – mit erheblichen Blendungserscheinungen
verbunden ist.
Im Falle der Lamelle mit weißer Oberseite und
grauer Unterseite zeigen Untersuchungen für ein
exemplarisch betrachtetes Büro, dass der fassadennahe Arbeitsplatz trotz dunkler Lamellenoberfläche
mit entsprechender Tageslichtabsorption recht gut
ausgeleuchtet wird. Denn der gesamte Schreibtisch
erreicht eine Beleuchtungsstärke von ca. 500...700
Lux, was als sehr gut einzustufen ist.
Eine sehr dunkle Lamellenunterseite, z.B. schwarz,
in Kombination mit einer hochreflektierenden Lamellenoberseite (spiegelnd oder weiß) stellt zwar
im Hinblick auf den solaren Wärmeeintrag das
theoretische Optimum dar. Die hohe Absorption
von Tageslicht an der schwarzen Lamellenunter38
Systeme zur Tageslichtlenkung
Bei tieferen Räumen (Raumtiefen über ca. 5 m) –
insbesondere mit zusätzlichen Arbeitsplätzen in
Raumtiefe – reicht der mit einem normalen Lamellensonnenschutz erreichbare Tageslichteintrag trotz
optimierter Lamellenoberflächen gelegentlich nicht
aus.
In diesen Fällen kommen die Systeme zur Lenkung
des Tageslichts in die Raumtiefe zum Einsatz. Mit
Hilfe von Tageslichtlenksystemen lassen sich nach
Herstellerangaben zwar bis zu ca. 70% des
Kunstlicht-Stromverbrauchs einsparen und generell
eine höhere visuelle Behaglichkeit (helle, freundliche Räume) erreichen. Dem stehen jedoch immer
die hohen Investitionskosten für diese aufwendigen
Tageslichtlenksysteme gegenüber, so daß bei einer
reinen Wirtschaftlichkeitsprüfung in der Regel
gegen ein Tageslichtlenksystem entschieden wird.
Manche finanziell potente Bauherren legen jedoch
großen Wert auf die höhere Leistungsfähigkeit und
-bereitschaft der Nutzer, die mittels gesteigerter
visueller Behaglichkeit nachweislich erreicht
werden kann.
Es ist jedoch sofort eine Schwachstelle des starren Okasolarsystems zu erkennen: bei flach auftreffenden Sonnenstrahlen werden diese z.T unerwünschterweise in den Raum hinein gelenkt,
was zu erheblichen Problemen (Blendungserscheinungen) führen kann.
Im folgenden sind einige Tageslichtlenksysteme
exemplarisch aufgeführt und kommentiert; ein
Gesamt-Überblick über Tageslichtlenksysteme ist
in /8/ zu finden.
(1) Okasolar-System der Fa. OKALUX
Kapillarglas GmbH, Marktheidenfeld
Als eines der ersten auf dem Markt erhältlichen
Tageslichtlenksysteme ist das Okasolar-System
der Fa. OKALUX Kapillarglas GmbH zu nennen. Dieses wurde in den 1990er Jahren bei
Neubauten häufiger eingesetzt. Vermutlich aufgrund der dabei aufgetretenen Schwierigkeiten
wird es in letzter Zeit nur noch selten als Möglichkeit zur Tageslichtlenkung diskutiert.
Bei dem Okasolarsystem werden hochreflektierende, speziell geformte Elemente in den Scheibenzwischenraum (SZR) der Isolierverglasung
im Oberlichtbereich integriert. Der detaillierte
Aufbau und das Funktionsprinzip sind Abb.33
zu entnehmen, in dem exemplarisch eine Fassade mit dem Okasolarsystem im Oberlichtbereich dargestellt ist. Als Besonderheit ist bei
diesem Beispiel das Okasolarsystem mit einer
Tageslichtergänzungsbeleuchtung kombiniert,
die eine ausreichende und gleichmäßige Versorgung des Raums mit Licht gewährleisten soll.
Der Detaildarstellung in Abb. 33 ist zu entnehmen, daß die Okasolar-Spiegelelemente im
SZR hoch auftreffende Sonnenstrahlen nach
außen zurückreflektiert und flacher einfallendes
diffuses Himmelslicht in den Raum hinein
lenken soll.
39
(2) Speziell geformte Tageslichtlenklamelle
Vor kurzem ist eine neue Tageslichtlenklamelle
auf dem Markt erschienen, die von Herrn Dr.Ing. Helmut Köster entwickelt wurde, und unter
der Produktbezeichnung „RETROLux“ von der
Fa. RETROSolar, Gesellschaft für Tageslichtsysteme mbH, Kirn, vertrieben wird.
Ähnlich wie bei dem Okasolarsystem soll diese
Lamelle auch im Oberlichtbereich einer vertikalen Fassade zum Einsatz kommen.
und Transparenz
•
RETROLuxTherm und RETROFlexTherm
Verkleinerte Aluminiumlamellen mit
derselben Geometrie und Funktionsweise wie RETROLux und RETROFlex, die jedoch im Scheibenzwischenraum einer Isolierverglasung
angeordnet sind.
In Abb. 34 ist zu erkennen, dass sich diese
Lamelle mit ihrer sehr speziellen Formgebung
in zwei Funktionsbereiche aufteilt: Der vordere
gezahnte Bereich dient der Reflexion der
Sonnenstrahlen („RETROReflexion“) und der
hintere flache Bereich („Lightshelf“) dient der
Tageslichtlenkung.
Diese Lamelle wird auch als Komponente des
Produkts „PRO-day Die Lichtfassade“ auf dem
Markt angeboten, welches auf der Fachmesse
Light + Building 2002 in Frankfurt mit dem
Innovationspreis Architektur und Technik
(„Besondere Anerkennung“) ausgezeichnet
wurde.
Neben der dargestellten Tageslichtlenklamelle
RETROLux werden von der Fa. RETROSolar
noch weitere Produkte zur Tageslichtlenkung
angeboten, die allesamt von Herrn Dr.-Ing.
Helmut Köster entwickelt wurden:
•
RETROFlex
Aluminium-Lamelle mit eingewalzter
Mikrostruktur für RETRO-Reflexion
40
(3) LIF-Acryllamellen
Als weiteres relativ neues Beispiel für ein
Tageslichtlenksystem im Oberlichtbereich seien
die im Scheibenzwischenraum angeordneten
Acryllamellen aufgeführt.
Dieses System macht sich die optischen Eigenschaften von transparenten Stoffen (in diesem
fall Acryl) zunutze, indem es die Totalreflexion
an den Innenseiten der Acryllamellen zu
Zwecken der Tageslichtlenkung nutzt. Das
Funktionsprinzip der LIF-Acryllamellen ist in
Abb. 35 exemplarisch dargestellt.
Die Sonnenstrahlen werden zunächst in den
Acryllamellen aufgefangen und in Richtung der
Raumdecke umgelenkt, wobei sie durch die
Vielfachreflexionen in diffuses Licht umgewandelt werden.
Dieses System eignet sich besonders für steil
einfallendes Tageslicht, wie es z.B. oftmals in
Häuserschluchten oder eng beieinander
angeordneten hohen Gebäuden der Fall ist.
41
(4) Hochreflektierende Tageslichtlenklamelle
Die bisher aufgeführten Beispiele für Tageslichtlenksysteme sind alle mehr oder weniger
starre Systeme, die nicht oder kaum bewegt
werden müssen, um ihre TageslichtlenkFunktion zu erreichen.
Eine höhere Effizienz sowohl bei der Tageslichtlenkung wie auch bei der Sonnenschutzwirkung kann natürlich erreicht werden, wenn ein
System eingesetzt wird, das sich dem jeweiligen
Sonnenstand anpaßt.
Als Beispiel sei die hochreflektierende Lamelle
der Fa. WAREMA aufgeführt (ein ähnliches
Produkt wird auch von der Fa. hüppe form vertrieben). Diese auf der Lamellenoberseite spiegelnde Lamelle weist eine besondere konkave
Form auf, die dem Umlenken des einfallenden
Tageslichts dient (Abb. 36).
Wie bei den Tageslichtlenksystemen (1) bis (3)
basiert auch die Tageslichtlenkung via Spiegellamelle auf einer funktionell geteilten Fassade,
wobei der Oberlichtbereich der Tageslichtlenkung dient. Diese Trennung macht auch eine
getrennte Ansteuerung der Lamellen
erforderlich, damit im unteren Fensterbereich
eine ausreichende Sonnenschutzwirkung erzielt
werden kann. Damit kann eine große Flexibilität
bezüglich der Lamellenstellung erreicht werden
(Abb. 37).
42
Neben den aufgeführten Tageslichtlenksystemen
existiert noch eine Vielzahl weiterer Systeme, die
hier nicht alle ausführlich beschrieben werden können, jedoch stichpunktartig benannt seien:
Holographisch-optische Elemente
Anidolische System
Prismenplatten
Sonnenschutzspiegelraster
Laser Cut Panels (LCP)
Lichtschwert (Lightshelf)
Drehbare Spiegellamellen
Lichtlenkglas mit Weißlichthologrammen
Heliostaten
Lichtrohr (Lightpipes)
Lichtwellenleiter
Verglasung mit Spiegelprofilen
Lichtstreuendes Glas
Transparente Wärmedämmung
All diese Tageslichtlenksysteme sind detailliert in
/8/ aufgeführt.
Darüber hinaus wird voraussichtlich Ende 2002/
Anfang 2003 die neue VDI-Richtlinie 6011 „Optimierung von Tageslichtnutzung und künstlicher
Beleuchtung – Grundlagen“ verabschiedet (bisher
nur als Entwurf vom Februar 2001, siehe /9/). Diese
VDI-Richtlinie erläutert zum einen sehr fundiert die
physikalischen Grundlagen der Tageslichtlenkung
und sie gibt auch einen sehr guten und umfassenden
Überblick über die derzeit auf dem Markt erhältlichen Tageslichtlenksysteme. Dabei kann sich die
ebenfalls enthaltene Bewertung der einzelnen
Systeme als sehr hilfreich für den Planungsprozess
erweisen.
43
Außensonnenschutz für ein flaches
Glasdach
Ein außen angeordneter Sonnenschutz an einem
horizontalen oder gewölbtem Glasdach läßt sich
konstruktiv in der Regel nur recht schwierig und
aufwendig realisieren, da im Gegensatz zur vertikalen Fassade die Schwerkraft nicht unterstützend
und stabilisierend wirkt. Nachfolgend sind einige
Beispiele für den außenliegenden Sonnenschutz bei
einem horizontalen Glasdach aufgeführt.
Der energetisch günstige Außensonnenschutz kann
z.B. mittels Alu-Großlamellen (ca. 30...50 cm breit)
über der Dachverglasung realisiert werden, wobei
diese Lamellen entweder starr (und damit deutlich
kostengünstiger) oder drehbar, aber nicht horizontal
verfahrbar (zumindest nicht ohne exorbitanten Kostenaufwand) ausgeführt werden können. Die Auswirkungen auf die Tageslichtverhältnisse werden
unten diskutiert.
Alternativ könnten diese Großlamellen auch als
Glaslamellen, als Glaspaneele mit holographischoptischen Elementen oder als Prsimenplatten
ausgeführt werden.
Wie in Abb. 38 zu sehen ist, zeigen die starren
Großlamellen bei günstigen Sonneneinfallswinkeln
brauchbare Abminderungsgrade von ca. z =
0,15...0,20. Bei ungünstigen Sonneneinfallswinkeln
hingegen weisen die starren Großlamellen eine geringe Sonnenschutzwirkung auf, so daß ihr Abminderungsgrad lediglich bei ca. z = 0,80...0,95 liegt.
Die Kombination der starren Großlamellen mit
einer hochselektiven Sonnenschutzverglasung
ergibt je nach dem Sonneneinfallswinkel einen
Gesamtenergiedurchlaßgrad g von 8...32%.
44
Die drehbaren Großlamellen hingegen werden der
Sonne permanent nachgeführt, was jedoch einen
entsprechenden Antriebsmechanismus und eine
geeignete Steuerung der Lamellenneigung erfordert.
Die Nachführung der Lamellen bewirkt eine fortwährend günstige Winkelstellung bzgl. der einfallenden Sonnenstrahlung, und entsprechend einen
sehr guten Abminderungsgrad von ca.
z = 0,10...0,20. In Kombination mit einer hochselektiven Sonnenschutzverglasung lassen sich damit
in etwa Werte für den Gesamtenergiedurchlaßgrad
von ca. 6...12% erzielen (Abb. 39).
Da die Lamellen drehbar sind, können diese während der Zeit, in der kein Sonnenschutz erforderlich
ist, in eine senkrechte Position gedreht werden, um
möglichst viel Tageslicht hindurchzulassen.
45
Als Alternative mit einer in etwa gleichwertigen
Sonnenschutzwirkung bietet sich zu den konstruktiv aufwendigen Lamellensystemen eine elektrochrome Verglasung an (näheres hierzu siehe
Abschnitt 3.3.6).
Eine derartige Verglasung ist durch eine spezielle
Schicht innerhalb der Verglasung in der Lage, ihre
Kennwerte durch das Anlegen einer elektrischen
Spannung zu verändern; der Sonnenschutz ist quasi
in der Verglasung enthalten (vgl. dazu Abb. 40).
Die elektrochrome Verglasung erreicht im abgedunkelten Zustand einen Gesamtenergiedurchlaßgrad g von ca. 12%, welcher in etwa dem einer Verglasung in Kombination mit einem außenliegenden
Sonnenschutz entspricht.
46
Neben den erreichbaren Sonnenschutzqualitäten
sind bei der Gestaltung des Glasdachs auch die
resultierenden Tageslichtverhältnisse zu beachten.
Falls an die Glashalle Büroräume angrenzen, so
empfiehlt sich neben der Analyse der erreichbaren
Gesamtenergiedurchlaßgrade des Glasdachs auch
eine detaillierte Untersuchung der in den angrenzenden Räumen resultierenden Tageslichtverhältnisse. Diese ist erforderlich, um den optimalen
Kompromiß zwischen solarem Wärmeeintrag und
Tageslichteinfall herauszufinden.
Grenzkurve, die einen TQ-Wert von 0,9% anzeigt
und die in ca. 1 m Abstand vom Fenster verläuft,
noch verdeutlicht.
Dies bedeutet, daß der Außensonnenschutzes in
Form von starren Lamellen mit 45° Neigung im
exemplarisch betrachteten Fall zu wenig Tageslicht
durchläßt, um die an das Atrium angrenzende
Büros noch vernünftig mit Tageslicht versorgen zu
können. Bei einer derartigen Konstellation ist aus
tageslichttechnischen Gründen dringend von den
starren Lamellen abzuraten.
In den Abb. 41 – 43 ist exemplarisch eine Analyse
der Tageslichtverhältnisse für die zuvor dargestellten drei Varianten des außenliegenden Sonnenschutzes an einem flachen Glasdach dargestellt.
Dabei wurde die jeweilige Verteilung der
Tageslichtquotienten in einem an das Atrium
angrenzenden tageslichttechnisch kritischen Büro
berechnet und dargestellt. Die leichte Asymmetrie
der Werte rührt dabei aus einem trapezförmigen
Grundriß des exemplarisch betrachteten Atriums.
In Abb. 41 sind zunächst die Auswirkungen der
starren, um 45° geneigten Lamellen auf die
Tageslichtverhältnisse in einem kritischen Büro
aufgetragen.
Deutlich erkennbar ist, dass der gemäß DIN 5034
/7/ für tagesbelichtete Räume an den beiden Referenzpunkten D1 und D2 (Punkte in halber Raumtiefe jeweils 1 m von der Wand entfernt) geforderte
Mittelwert des Tageslichtquotienten von 0,9%
deutlich unterschritten wird. Dies wird durch die
47
In Abb. 42 ist die Verteilung der Tageslichtquotienten im selben kritischen Büro wie zuvor dargestellt,
wobei in diesem Fall der Außensonnenschutz am
Glasdach als drehbare Großlamellen (nicht verfahrbar) ausgeführt ist und die Lamellen in senkrechter
Position stehen. Um die Tageslichtabminderung an
den Lamellen möglichst gering zu halten, weisen
die Oberflächen einen hohen Reflexionsgrad auf
(z.B. hellweiß).
Es zeigt sich, dass die in diesem Fall zu erwartenden Tageslichtquotienten an den Referenzpunkten
D1 und D2 die Forderungen der DIN 5034 knapp
erfüllen (bei strenger Auslegung wären sie nicht
erfüllt).
Dies bedeutet, daß bei dem exemplarisch betrachteten Atrium der Außensonnenschutz am Glasdach
zwar in Form drehbarer Großlamellen mit weißen
Oberflächen tageslichttechnisch gerade noch zulässig wäre, in den angrenzenden Büros jedoch ein
eher dunkles Tageslichtmilieu zu erwarten wäre. Es
stellt sich daher die Frage, ob die enormen, für die
drehbaren Lamellen erforderlichen konstruktiven
Anstrengungen gerechtfertigt oder Alternativen
vorzuziehen sind.
48
In Abb. 43 schließlich ist die entsprechende Verteilung der Tageslichtquotienten in dem kritischen
Büro für eine elektrochrome Verglasung aufgetragen.
Diese Variante weißt deutlich höhere Werte des
Tageslichtquotienten auf, was vor allem auf die
nicht erforderliche Haltekonstruktion und die Lamellen selbst zurückzuführen ist, so daß im aufgehellten Zustand der elektrochromen Verglasung
deutlich mehr Tageslicht in das Atrium und die angrenzenden Büros einfallen kann als bei den zuvor
betrachteten außenliegenden Großlamellen.
Die integrale Betrachtung von solarem Wärmeeintrag und Tageslichteinfall im vorliegenden Beispiel
zeigt, dass die optimale Lösung überraschenderweise nicht die Großlamellen, sondern die elektrochrome Verglasung bildet.
49
3.3.5 Integrierter Sonnenschutz
Neben den in Kap. 3.3.3 und Kap. 3.3.4 betrachteten grundsätzlichen Sonnenschutztypen gibt es
noch viele weitere Möglichkeiten, einen Sonnenschutz zu realisieren. Einige besonders interessante
Sonderformen des Sonnenschutzes werden im
Rahmen dieses Abschnitts näher betrachtet.
in Abb. 44 beispielhaft das System LITESTAR der
Fa. Eckelt Glas GmbH 20) , dargestellt ist.
Anstelle der Folie kann der im Scheibenzwischenraum angeordnete Sonnenschutz auch in Form von
schmalen Lamellen realisiert werden (Abb. 45).
Der integrierte Sonnenschutz ist je nach Ausbildung mehr dem Innen- oder Außensonnenschutz
zuzuordnen. Dabei kann er entweder im Scheibenzwischenraum der Isolierverglasung oder im
Zwischenraum einer doppelschaligen Fassade
angeordnet sein.
Sonnenschutz im Zwischenraum einer
Isolierverglasung
Der bewegliche Sonnenschutz, der zwischen den
beiden Glasscheiben einer Isolierverglasung angeordnet ist, kann entweder in Form von teiltransparenten Folien oder Lamellen ausgebildet sein.
Derartige Systeme werden von verschiedenen Herstellern angeboten (z.B. ECLIPSE von der Fa.
Eckelt Glas GmbH, Iso Flex der Fa. SYGLAS
GmbH, Isolette von Glas Schuler GmbH 21) ).
Das Funktionsprinzip einer im Scheibenzwischenraum angeordneten verfahrbaren Folie ist in Abb.
44 dargestellt. Derartige Systeme werden von
etlichen Herstellern angeboten (z.B. First-Roll der
Fa. AGERO 18) , Iso Fol der Fa. SYGLAS 19) ), wobei
18)
Näheres zur Fa. AGERO AG, Schlattingen,
Schweiz, ist im Internet zu finden unter
www.agero-ag.com
19)
Näheres zur Fa. SYGLAS GmbH, Rosenheim,
ist im Internet zu finden unter www.syglas.de
20)
Näheres zur Fa. Eckelt Glas GmbH, Steyr,
Austria, ist im Internet zu finden unter
www.eckelt.at
21)
Näheres zur Fa. Glas Schuler GmbH, Rednitzhembach, ist im Internet zu finden unter
www.isolette.de
50
In Abb. 46 ist beispielhaft ein integrierter Sonnenschutz in Form einer Folie im Scheibenzwischenraum im eingebauten Zustand dargestellt. Das dargestellte Sytem weist die Besonderheit auf, daß die
Folie im Scheibenzwischenraum einer nahezu
horizontalen Dachverglasung angeordnet ist.
Als Anwendungsbeispiel eines integrierten Sonnenschutzes in Form von Lamellen im Scheibenzwischenraum ist in Abb. 47 das System Iso Flex der
Fa. SYGLAS GmbH im eingebauten Zustand dargestellt.
51
Der im Scheibenzwischenraum angeordnete
Sonnenschutz weist das grundsätzliche Problem
auf, daß sich der Sonnenschutz bei intensiver
Besonnung aufgrund der Oberflächenabsorption
stark erhitzt. Diese Hitze gibt der Sonnenschutz
sowohl via thermischer Strahlung als auch via
Konvektion im Scheibenzwischenraum teilweise an
die innere Scheibe der Isolierverglasung ab, welche
diese Wärme als sekundäre Wärmeabgabe in dem
angrenzenden Raum freisetzt. Bei ungünstiger
Farbgestaltung (z.B. bei dunklen Oberflächen mit
hoher Absorption) kann die sekundäre Wärmeabgabe an den Raum derart ansteigen, daß die
Sonnenschutzwirkung deutlich abgeschwächt wird.
Diesem Problem kann durch eine hohe Reflexion
(und damit niedrigere Absorption) der sonnenzugewandten Oberfläche des Sonnenschutzes entgegengewirkt werden. Aus diesem Grund lassen sich
beim Sonnenschutz im Scheibenzwischenraum die
besten Werte für den Gesamtenergiedurchlaßgrad
bzw. Abminderungsfaktor mittels spiegelnder
Sonnenschutzelemente erzielen.
In Abb. 48 sind die g-Werte für einige Systeme mit
einem im SZR integrierten Sonnenschutz aufgeführt; dabei ist zu beachten, daß alle angegebenen
Werte Herstellerangaben sind. Da die Folien bzw.
Lamellen jedoch in unterschiedliche Verglasungen
eingebaut werden, sind die Werte nur bedingt
vergleichbar und führen auch zu unterschiedlichen
Abminderungsgraden (z-Werten).
Darüber hinaus gelten die etwas niedrigeren g-Werte der integrierten Folien für komplett geschlossene
Folien, wohingegen die Lamellen einen gewissen
Neigungswinkel aufweisen und somit einen erhöhten Strahlungsdurchgang bedingen. Wie in Abschnitt 3.3.4 bereits ausführlich diskutiert, weisen
die Lamellen jedoch tageslichttechnische Vorteile
gegenüber den Folien (Screens) auf.
Trotz allem kann Abb. 48 entnommen werden, daß
mit Hilfe eines im Scheibenzwischenraum integrierten wartungsfreien Sonnenschutzes in etwa ein
Abminderungsgrad z = 0,1...0,3 (je nach Ausführung) realisiert werden kann, der den sehr guten
Werten von Außensonnenschutz nahekommt.
Dies bedeutet, daß ein im Scheibenzwischenraum
der Isolierverglasung angeordneter Sonnenschutz
im Hinblick auf den solaren Wärmeeintrag in etwa
dieselbe hervorragende Qualität wie ein Außensonnenschutz aufweist.
Neben den beschriebenen Realisierungsmöglichkeiten existieren eine Reihe weiterer Ansätze, z.B.
integrierte Tageslichtraster, integrierte Sonnenschutzprismen, integrierte Micro-Sonnenschutzraster, u.v.m.
52
Sonnenschutz im Zwischenraum einer
doppelschaligen Fassade
Der integrierte Sonnenschutz kann wird häufig
auch im Zwischenraum einer doppelschaligen
Fassade plaziert.
Die Sonnenschutzwirkung, die sich mit einem im
Fassadenzwischenraum (FZR) integrierten Sonnenschutz erzielen läßt, hängt in analoger Weise wie
bei den diskutierten Lamellensonnenschutzsystemen von den Oberflächeneigenschaften der
Lamellen, der Art der Verglasungen und der Durchlüftung ab. Zur Verdeutlichung dieser Einflüsse
wird im folgenden die Optimierung einer doppelschaligen Fassade mit integriertem Sonnenschutz
im Hinblick auf den solaren Wärmeeintrag
beispielhaft vorgeführt.
In Abb. 49 ist die exemplarisch betrachtete, doppelschalige Fassade dargestellt. Bei dem Bauvorhaben
handelt es sich um die Sanierung eines bestehenden
Gebäudes mit einer komplett neuen Fassade mit
großflächigen Verglasungen.
53
Die Auswirkungen der einzelnen Optimierungsschritte auf den Gesamtenergiedurchlaßgrad der
doppelschaligen Fassade sind in Abb. 50 aufgetragen.
Es wird deutlich, dass mit einer standardmäßigen
Ausführung der doppelschaligen Fassade (vgl. dazu
Abb. 53) bereits ein Gesamtenergiedurchlaßgrad
von ca. 10...12% erreicht werden kann.
Die Substitution der handelsüblichen Wärmeschutzverglasung mit Beschichtung auf Position 3
(WSV, Pos. 3) durch eine Sonnenschutzverglasung
(SSV) reduziert den g-Wert der Fassade auf ca. 7%.
transmittieren sehr viele Sonnenstrahlen die äußere
Schale somit zweimal. Da bei jedem Strahlendurchgang ein gewisser Anteil im Glas absorbiert wird,
weist das Glas mit geringerer Absorption (Weißglas
oder Klarglas) also einen energetischen Vorteil auf.
Mit einer Außenschale aus Weißglas läßt sich somit
der g-Wert der doppelschaligen Fassade nochmals
um ca. 0,5% verringern.
Abb. 50 ist zu entnehmen, daß sich der für die
solaren Wärmelasten maßgebliche Gesamtenergiedurchlaßgrad einer doppelschaligen Fassade
durch das Ausschöpfen der aufgezeigten Optimierungspotentiale ungefähr halbieren läßt.
Falls anstelle der üblichen, beidseitig silberfarbenen
Lamelle eine Lamelle mit spiegelnder Oberseite
und grauer Unterseite vorgesehen wird, kann der gWert der Fassade nochmals deutlich auf ca. 4...5%
abgesenkt werden (vgl. dazu Kap. 3.3.3 und 3.3.4).
Im Gegensatz zum Außensonnenschutz, der aufgrund der Witterungseinflüsse eine spiegelnde Lamellenoberfläche nicht zuläßt, schützt die doppelschalige Fassade durch ihre äußere Schale die Sonnenschutzlamellen sehr gut. Insofern bietet sich der
Einsatz von spiegelnden Lamellen im Fassadenzwischenraum der doppelschaligen Fassade geradezu
an. Diese können neben dem Schutz vor solarem
Wärmeeintrag auch zur Tageslichtlenkung eingesetzt werden (siehe Abschnitt 3.3.4, (4)).
Eine weitere Verbesserung der Sonnenschutzwirkung spiegelnder Lamellen kann durch die Verwendung von Weißglas als äußere Scheibe erreicht
werden. Der größere Anteil der Sonnenstrahlen
dringt zunächst durch die äußere Schale in den
Fassadenzwischenraum, wo er von den spiegelnden
Lamellen größtenteils reflektiert wird und dann
wieder durch die Außenschale austritt. Insgesamt
54
Einen besonderen Einflüssen auf den g-Wert einer
doppelschaligen Fassade spielt die Durchlüftung
des Fassadenzwischenraums.
Häufig wird der Fassadenzwischenraum über
offene Schlitze unten und oben in der geschoßweise
geschotteten doppelschaligen Fassade natürlich
gelüftet. Dabei ist zu beachten, daß sich für die
Vermeidung eines Strömungskurzschlusses bzw.
von Rezirkulation (warme Luft aus dem Fassadenzwischenraum des unteren Geschosses strömt über
die oberen Schlitze nach außen ab, wo sie über den
Zuluftschlitz des darüber angeordneten Geschosses
sofort wieder in den Fassadenzwischenraum hinein
strömt) eine versetzte Anordnung der Zu- und Abluftschlitze empfiehlt. Diese als „Diagonallüftung“
bezeichnete Anordnung von Zu- und Abluftschlitzen einer doppelschaligen Fassade ist als Prinzip in
Abb. 51 dargestellt.
Dabei weist die in Abb. 51 exemplarisch dargestellte Diagonallüftung als Besonderheit flächenmäßig
optimierte Zu- und Abluftschlitze auf. Denn es ist
zu erkennen, daß sich die Öffnungsfläche des jeweiligen Schlitzes über die gesamte Höhe des Geschoßumschlags ausdehnt, um möglichst große
Schlitze für eine gute Durchlüftung des Fassadenzwischenraums zu erzielen. Diese aerodynamisch
günstige Lösung erfordert jedoch eine achsweise
Trennung von Zu- und Abluft, welche in der Regel
mittels Lüftungskästen realisiert wird, die abwechselnd nach oben und nach unten geöffnet sind.
Neben den verfügbaren Öffnungsflächen wird die
Durchlüftung des Fassadenzwischenraums auch
von der detaillierten Ausbildung der Öffnungen
bzw. Schlitze selbst definiert. Oftmals wird ein
z-Profil als Wetterschutzgitter in der Lüftungsöffnungen plaziert, was zu einer deutlichen Erhöhung
des Strömungswiderstandes in den Öffnungen
führt. Dieser höhere Widerstand bremst dann die
Hinterlüftung des Fassadenzwischenraums z.T.
recht stark ab. Im Sinne einer möglichst guten
Durchlüftung des Fassadenzwischenraums empfehlen sich daher strömungstechnisch optimierte Lüftungsöffnungen mit geringem Widerstand.
55
In Abb. 52 ist die Rückwirkung der Durchlüftung
des Fassadenzwischenraums auf den Gesamtenergiedurchlaßgrad der doppelschaligen Fassade
exemplarisch aufgetragen. Eine mangelhafte
Durchlüftung des Fassadenzwischenraums wirkt
sich negativ auf den g-Wert der Fassade aus. Daher
sollte bei einer doppelschaligen Fassade im Hinblick auf eine möglichst gute Begrenzung des
solaren Wärmeeintrags auf eine ausreichende
Durchlüftung des Fassadenzwischenraums geachtet
werden.
56
In den beiden folgenden Abbildungen sind die
Auswirkungen der aufgezeigten Optimierung der
doppelschaligen Fassade auf die resultierenden
Temperaturverhältnisse innerhalb der doppelschaligen Fassade aufgeführt.
In Abb. 53 sind zunächst die bei intensiver Besonnung für die standardmäßig ausgebildete doppelschalige Fassade zu erwartenden Temperaturen
aufgetragen. Zum einem ist erkennbar, dass mit
einer hinterlüfteten, doppelschaligen Fassade Werte
für den Gesamtenergiedurchlaßgrad zu erreichen
sind, die nahezu einem Außensonnenschutz entsprechen.
Zum anderen ist jedoch zu erkennen, daß sich die
Luft im Fassadenzwischenraum sehr stark erwärmt,
was hauptsächlich auf die Wärmeabgabe des
integrierten Sonnenschutzes zurückzuführen ist.
Die Übertemperaturen der Luft im FZR können bei
intensiver Besonnung durchaus auf ca. 10...12 K
ansteigen.
Abb. 54 zeigt, wie diese Übertemperaturen im FZR
durch eine optimierte Ausbildung der doppelschaligen Fassade im Hinblick auf Verglasungen, Lamellenoberflächen und der Hinterlüftung in etwa
auf die Hälfte reduziert werden können. Dieser
Begrenzung der Übertemperaturen im FZR kommt
im Falle einer Fensterlüftung der angrenzenden
Räume eine besondere Bedeutung zu, wie nachfolgend zu erläutern ist.
Darüber hinaus läßt sich auch der solare Wärmeeintrag durch eine optimierte Bauweise in etwa auf die
Hälfte reduzieren, was sich in Werten für den Gesamtenergiedurchlaßgrad von bis zu ca. 6 % niederschlägt.
57
Der Lufttemperatur im Fassadenzwischenraum der
doppelschaligen Fassade kommt im Falle von Fensterlüftung der angrenzenden Räume eine besondere Bedeutung zu. Denn bei geöffneten Fenstern
strömt eben nicht Außenluft in die Räume ein,
sondern es strömt die Luft aus dem Fassadenzwischenraum in die angrenzenden Räume, wie in
Abb. 55 schematisch dargestellt.
Dies bedeutet jedoch, daß bei einer intensiven
Überhöhung der Lufttemperaturen im Fassadenzwischenraum (bis über 10 °C) gegenüber der
Außenluft sehr warme Luft in den angrenzenden
Raum einströmt. Das führt dann zu erheblichen
Überhitzungserscheinungen im Raum, wie in
einigen Gebäuden bereits leidvoll erfahren werden
mußte. In dem Buch über Doppelfassaden /9/ sind
zu der Überhitzung der Luft im FZR sogar Messwerte aufgeführt.
Gerade im Hinblick auf die Fensterlüftung muss
daher die Erwärmung der Luft im Fassadenzwischenraum möglichst begrenzt werden.
58
Die Hinterlüftung des Fassadenzwischenraums
einer doppelschaligen Fassade steht weiterhin in
einer starken Wechselwirkung mit dem erreichbaren Schallschutz. So ist bei entsprechend hohem
Außenlärmpegel von ca. 70...80 dB(A) darauf zu
im Raum nicht zu hoch ansteigt und somit die Fensterlüftung unmöglich macht.
Hierzu ist exemplarisch in Abb. 56a – d die schalltechnische Optimierung einer doppelschaligen
Fassade aufgezeigt, um eine Vorstellung des mit
Hilfe einer doppelschaligen Fassade realisierbaren
Schallschutzes zu geben.
59
Die lüftungstechnisch optimale Ausführung einer
doppelschaligen Fassade in Abb. 56a stellt sich bei
entsprechend hohem Außenlärmpegel aufgrund
ihrer großen Durchlässigkeit schalltechnisch problematisch dar. So sind z.B. bei einem Außenlärmpegel von 80 dB(A) bei gekipptem Fenster im
Raum bis zu 60...65 dB(A) zu erwarten. Derart hohe Schallpegel sind für Räume mit Arbeitsplätzen
unakzeptabel.
•
•
Eine erste Reduzierung des Innenschallpegels kann
mittels kleinerer Schlitze erreicht werden, die jedoch auch die Hinterlüftung reduzieren (vgl. dazu
die Ausführungen weiter oben). Mit kleineren
Schlitzen von z.B. 5 cm Höhe läßt sich der Schallpegel in etwa um 5 dB verringern (vgl. Abb. 56b).
Falls die Räume ausschließlich natürlich gelüftet
werden, muß dabei beachtet werden, daß die Mindestöffnungsflächen gemäß Arbeitsstättenrichtlinie
5 nicht unterschritten werden.
schenraum der doppelschaligen Fassade
erreicht werden, so daß die windinduzierte
Querlüftung bei offen stehenden Fenstern
abgemildert werden kann.
Im Winter sind solare Wärmegewinne möglich,
die sich besonders bei Fensterlüftung positiv
auswirken, in dem sich die in den Raum einströmende Luft im Fassadenzwischenraum
etwas erwärmt hat.
In der kalten Jahreszeit bedingt die doppelschalige Fassade auch eine erhöhte Wärmedämmung nach außen, so daß die Wärmeverluste
aufgrund Transmission minimiert werden können (die doppelschalige Fassade bedingt einen
niedrigeren Wärmedurchgangskoeffizienten).
Eine weitere Verbesserung kann durch schallabsorbierende Elemente im Fassadenzwischenraum erreicht werden. Wie in Abb. 56c dargestellt, kann
die gesamte Schalldämmung der doppelschaligen
Fassade damit um weitere ca. 5 dB gesteigert werden.
Die optimal erreichbare Schalldämmung läßt sich
durch zusätzliche Schallabsorber im fensternahen
Bereich im Raum selbst erzielen, wie in Abb. 56d
aufgezeigt wird.
Insgesamt läßt sich mit einer schalltechnisch
optimierten doppelschaligen Fassade ein Schalldämmaß von immerhin ca. 27...32 dB realisieren.
Setzt man einen Schallpegel von ca. 50 dB(A) als
akzeptabel voraus (entspricht in etwa der Sprachverständlichkeit beim Telefonieren), so kann mit
Hilfe einer doppelschaligen Fassade ein in den
meisten Fällen ausreichender Schallschutz erreicht
werden.
Neben den bereits aufgezeigten Potentialen der
doppelschaligen Fassade im Hinblick auf die erreichbare Sonnenschutzqualität und den Schallschutz sei noch auf folgende weitere Vorteile
hingewiesen:
•
•
•
Der integrierte Sonnenschutz ist vor Witterungseinflüssen geschützt. Diese Schutzwirkung ermöglicht den Einsatz hocheffizienter
spiegelnder Lamellen.
Aufgrund der vorgelagerten Schale ist eine natürliche Nachtlüftung über offen stehende Fenster sehr gut realisierbar; diese nächtliche Entwärmung der Speichermassen ist im Hinblick
auf eine möglichst effiziente Dämpfung der
sommerlichen Temperaturentwicklung wichtig.
Bei Windangriff am Gebäude kann ein gewisser Druckausgleich über den Fassadenzwi60
Integrierter Sonnenschutz durch
Bedrucken der Verglasung
Eine weitere Möglichkeit, einen integrierten Sonnenschutz zu realisieren, ist das Bedrucken der
Verglasung. Dabei stehen dem grundsätzlichen
Nachteil, das die Bedruckung nicht geändert
werden kann, eine Reihe von Vorteilen gegenüber:
• Eine aufwendige Konstruktion für die Befestigung des Sonnenschutzes entfällt; dies macht
sich insbesondere bei runden oder anderweitig
schwierigen Fassadengeometrien positiv bemerkbar.
• Der Sonnenschutz wird ohne bewegliche Teile
realisiert, so daß die Wartung und Instandhaltung der Mechanik entfällt; die Störanfälligkeit
ist quasi auf Null abgesenkt.
• Das Erscheinungsbild der Fassade wird weit
weniger beeinflußt als z.B. durch einen Außensonnenschutz. So bleibt bei einer Glasfassade
der Charakter einer glatten Haut weitgehend
erhalten.
Die bedruckte Verglasung stellt im Gegensatz zu
den bisher betrachteten Sonnenschutzsystemen ein
starres System dar, so daß auch an bedeckten bzw.
bewölkten Tagen der Tageslichteintrag stark abgemindert wird. Insofern eignet sich eine bedruckte
Verglasung besonders für Räume mit großflächigen
Verglasungen, z.B. Glashallen; dies gilt allerdings
nur, solange keine tagesbelichteten Räume an die
Glashalle angrenzen, da die Bedruckung ansonsten
zuwenig Tageslicht in die angrenzenden Räume
läßt.
In Abb. 57 ist exemplarisch ein Gebäude mit bedruckter Verglasung dargestellt. Wie zuvor erläutert, weist dieses Gebäude einen sehr hohen Verglasungsanteil auf, so daß die Abminderung des
Tageslichteinfalls durch die Bedruckung von untergeordneter Bedeutung ist. Darin ist auch gut zu erkennen, welche gestalterischen Möglichkeiten bedruckte Verglasungen bieten.
61
Welche Sonnenschutzqualität und welcher
Gesamtenergiedurchlaßgrad erreicht werden, hängt
von mehreren Parametern ab, z.B.:
• Gesamtenergiedurchlaßgrad der Verglasung,
• Bedruckungsgrad (Flächenanteil),
• Farbe der Bedruckung,
• Position der Bedruckung.
Es liegt auf der Hand, daß bei höherwertigen Verglasungen, z.B. einer Sonnenschutzverglasung, mit
der Bedruckung bessere g-Werte zu erreichen sind
als bei Standardverglasungen. Ein Vergleich der
erreichbaren g-Werte in Abhängigkeit des Bedruckungsgrades ist in Abb. 58 dargestellt, wobei
den dargestellten g-Werten jeweils eine graue Bedruckung auf Position 2 (= Innenseite der
Außenscheibe) zugrunde liegt.
Es wird deutlich, daß bei 50% bedruckter Glasfläche mit der standardmäßigen Wärmeschutzverglasung ein g-Wert von ca. 30 % erreicht wird.
Demgegenüber kann mit derselben Bedruckung auf
einer hochwertigen Sonnenschutzverglasung ein gWert von ca. 17 % erreicht werden.
Es sei an dieser Stelle jedoch darauf hingewiesen,
daß die Sonnenschutzverglasung ihre Beschichtung
ebenfalls auf Position 2 aufweist, so daß auf der Innenseite der Außenscheibe sowohl die Sonnenschutzbeschichtung wie auch die Bedruckung aufgebracht wird. Es ist leicht vorstellbar, daß dies
produktionstechnisch äußerst schwierig ist; es gibt
daher auch nur sehr wenige spezialisierte Firmen,
die ein entsprechendes Know-How besitzen. Als
Beispiel sei hier die Firma Eckelt GmbH aufgeführt, die derartig bedruckte Sonnenschutzverglasungen anbietet.
62
3.3.6 Adaptive Verglasungen
Die neueste Entwicklung im Hinblick auf die Realisierung eines Sonnenschutzes ist in den adaptiven
Verglasungen zu sehen. Der Grundgedanke dieser
Verglasungen ist, dass sie aufgrund ihrer speziellen
Ausbildung in der Lage sind, ihre energetischen
Kennwerte (Gesamtenergiedurchlassgrad g und
Tageslichttransmission τ L ) zu verändern. Dies ermöglicht es, dass sie sich dem jeweiligen Außenzustand (bedeckt oder sonnig) im Hinblick auf den
jeweils erforderlichen Sonnenschutz (lichtdurchlässig oder Sonneneinstrahlung blockierend) anpassen können.
Die adaptiven (d.h. sich anpassenden) Verglasungen stellen somit eine vollwertige Alternative zu
einer Fassade mit beweglichem Sonnenschutz dar.
Es macht daher keinen Sinn, die adaptiven Verglasungen kostenmäßig mit einer normalen Verglasung zu vergleichen; vielmehr müssen die adaptiven Verglasungen mit einer gleichwertigen Kombination aus Verglasung und Sonnenschutz verglichen werden, um Aussagen über die Wirtschaftlichkeit dieser neuartigen Verglasungen ableiten zu
können. Denn es ist leicht einzusehen, dass für derartige Anpassungsfähigkeiten besondere Vorkehrungen erforderlich sind, welche sich in den Produktionskosten niederschlagen.
•
Die Veränderung der physikalischen Eigenschaften
der Verglasung kann dabei auf unterschiedliche Art
und Weise erfolgen. Derzeit sind folgende Arten
von adaptiven Verglasungen bekannt bzw. werden
auf dem Markt angeboten (Die nachfolgende Auflistung ist in etwa zeitlich chronologisch und
spiegelt somit die Entwicklung der adaptiven
Verglasungen wider):
•
22)
Elektrooptische Verglasung
Die seit vielen Jahren bereits auf dem
Markt erhältliche elektrooptische Verglasung (z.B. das Produkt Priva-Lite der Fa.
Saint-Gobain Glass Deutschland GmbH 22) ,
Aachen) basiert auf Flüssigkristallen, die
als winzige Tröpfchen in einem Polymernetzwerk eingebunden sind. Durch das
Anlegen einer elektrischen Spannung
werden die Flüssigkristalle durch das
Magnetfeld ausgerichtet und die
Verglasung wird transparent (klar). Ohne
elektrische Spannung sind die Flüssigkristalle in alle möglichen Richtungen
orientiert, so dass die Verglasung transluzent (milchig) wird.
Bemerkenswerterweise unterscheiden sich
die beiden Zustände transparent und trans-
Näheres zur Fa. Saint-Gobain Glass Deutschland
GmbH, Aachen, ist im Internet zu finden unter
www.saint-gobain.com
luzent zwar im Hinblick auf die Lichtstreuung sehr stark (transparent: das Licht
wird direkt durchgelassen; transluzent: das
Licht wird gestreut, d.h. direkte Strahlung
wird in diffuse Strahlung umgewandelt),
die gesamte Tageslichttransmission (Summe aus direkter und diffuser Transmission)
der Verglasung ändert sich jedoch kaum
durch den Schaltvorgang (eine detaillierte
Beschreibung ist in /10/ zu finden).
Insofern wird deutlich, dass eine derartige
Verglasung nicht als Substitution für einen
Sonnenschutz sinnvoll ist. Die elektrooptischen Verglasungen werden daher nur im
Innenbereich zu Zwecken des variablen
Sichtschutzes eingesetzt.
.
Elektrochrome Verglasung
Die erste auf dem Markt erhältliche adaptive Verglasung, die in der Lage ist, einen
Sonnenschutz komplett zu ersetzen, ist in
dem Produkt „e-control“ der Fa. FLABEG
GmbH 23) , Fürth, zu sehen.
Diese elektrochrome Verglasung ändert
ihre physikalischen Eigenschaften durch
das Anlegen einer elektrischen Spannung.
Die Basis hierfür sind transparente, leitfähige, oxidische Beschichtungen, die in
der Lage sind, Ionen und Elektronen aufzunehmen bzw. abzugeben. Den Kern des
Glasaufbaues bildet eine leitfähige Polymerfolie. Sie fungiert als Elektrolyt- bzw.
Ionen-Leiter: Denn sie verfügt über eine
hohe Durchlässigkeit für Ionen und ist
undurchlässig für Elektronen. Wird eine
Spannung an die beiden transparenten Leiter angelegt, fließen Ionen – je nach
Stromrichtung – von der einen in die andere Schicht (galvanische Zelle). Durch das
Einbringen der Ionen entsteht ein ladungsausgleichender Elektronenrückfluß. Dieser
fließt über den externen Stromkreis und
führt zu einer Änderung der Elektronendichte, die in der elektrochromen Schicht
zu einer Veränderung ihrer optischen Eigenschaften führt (Transmissionsmodulation). In Abhängigkeit von der Wahl des
elektrochromen Oxids ruft diese Elektronen-Injektion eine Herabsetzung oder Erhöhung der Transparenz hervor. Wolframoxid (WO 3 ) lässt sich reversibel von
einem transparenten in einen dunkelblauen
Zustand mit geringer Transmission
schalten. Aufgrund der vernachlässigbaren
Elektronenleitfähigkeit des Ionen-Leiters
bleibt der jeweilige Zustand auch nach Abschalten der externen Spannung stabil
(open circuit memory).
23)
Näheres zur Fa. FLABEG GmbH & Co KG,
Fürth, ist im Internet zu finden unter
www.flabeg.com
63
Um einen visuellen Eindruck der
Verwandlungs-Fähigkeiten dieser elektrochromen Verglasung zu vermitteln, ist in
Abb. 59 das Glasdach der Ostseesparkasse
in Rostock dargestellt. Dabei ist dem bei
intensiver Besonnung verdunkelten Glasdach das am bedeckten Tag aufgehellte
Glasdach gegenübergestellt.
Lauenförde, angeboten).
Bei gasochromen Verglasungen dissoziiert
ein Katalysator wie Platin Wasserstoff, der
mit einer Wolframoxidschicht reagiert.
Dabei färbt sich die WO 3 -Schicht blau ein
und reduziert die solare Transmission von
72% auf unter 5%. Die Entfärbung wird
durch Sauerstoff erreicht (eine detaillierte
Beschreibung ist in /11/ zu finden).
Die gasochrome Verglasung weist gegenüber einer elektrochromen Verglasung einen einfachen Schichtaufbau und eine
Tageslichttransmission im entfärbten Zustand auf.
•
Thermotrope Verglasung
Die neueste und noch in der Forschungsphase befindliche Entwicklung der adaptiven Verglasungen ist in den thermotropen Verglasungen zu sehen. Im Gegensatz
zu den vor genannten adaptiven Verglasungen sind die thermotropen Verglasungen selbstregulierend. Dieser aus dem Bereich der Sonnenbrillen bekannte Mechanismus bewirkt eine temperaturabhängige
Transmission (d.h. die Verglasung verdunkelt sich bei intensiver Besonnung und
hellt ohne Sonne wieder auf. Eine detaillierte Beschreibung ist in /12/ zu finden).
Die Einsatzmöglichkeiten thermotroper
Verglasungen beschränkt sich dabei nicht
nur auf die transparenten Fassadenbereiche; ein vielversprechender Ansatz ist
auch in der Kombination mit einer transparenten Wärmedämmung zu sehen.
Neben der beeindruckenden Wandlungsfähigkeit wird jedoch eine Eigenschaft der
elektrochromen Verglasung deutlich, die
bei bestimmten Anwendungen problematisch sein kann: Denn in Abb. 59 ist zu erkennen, dass die Verglasung im abgedunkelten Zustand einen starken Blaustich
zeigt, was auf die Wolframoxidschicht
zurückzuführen ist. Bei direkter Besonnung muss daher eine begrenzte Farbechtheit der Verglasung in Kauf genommen
werden.
•
Gasochrome Verglasung
Eine weitere adaptive Verglasung, die
einen Sonnenschutz ersetzen kann und
mittlerweile ebenfalls auf dem Markt
erhältlich, ist die gasochrome Verglasung
(wird z.B. von der Fa. Interpane AG,
64
4.
Natürliche Lüftung
Wie in Kapitel 2 bereits diskutiert, weist neben
der Fassadenkonstruktion auch die natürliche
Lüftung über öffenbare Fenster ein bedeutendes
ökonomisches und ökologisches Potential an
Energieeinsparungen (Betriebskosten) und
Einsparungen von Investitionskosten
(mechanische Lüftungsanlage) auf.
Um eine ungefähre Vorstellung davon zu vermitteln, sind in Abb. 60 die kumulierten Betriebsstunden dargestellt, während derer sich die Fensterlüftung bezüglich der Außenlufttemperatur als unproblematisch erweist. Als Basis für diese exemplarische Auswertung wurde das
Testreferenzjahr 24) , Region 3 25) , herangezogen.
Unter der Annahme, daß die einströmende Außenluft zwischen 5 und 22°C liegen kann, um
Beeinträchtigungen der thermischen Behaglichkeit
zu vermeiden, ist der Abbildung zu entnehmen,
daß während ca. 75% der Betriebszeit
Fensterlüftung möglich ist. Da während dieser
Zeit die mechanische Lüftung abgeschaltet
werden kann, bedeutet dies eine enorme
Einsparung an Betriebskosten.
Die natürliche Lüftung über öffenbare Fenster wird
im Anschluss näher betrachtet; sie ist allerdings
mit einer deutlich schwierigeren Planbarkeit verbunden.
4.1
Grundlagen
Eine Luftbewegung stellt sich immer dann ein,
wenn als treibende Kraft eine Luftdruckdifferenz
zwischen dem Innenraum und außen herrscht. Als
alltägliches Beispiel sei an die Wetterbildung
verwiesen: Die heftigsten Winde sind in der Regel
zwischen den Hochdruckgebieten und den Tiefs zu
erwarten, da die Luft immer bestrebt ist, die
Druckunterschiede auszugleichen.
dabei kann es vorkommen, das Wind und Thermik
gegeneinander wirken, so daß sie die Intensität der
natürlichen Lüftung reduzieren.
Beide Antriebsmechanismen der natürlichen Lüftung werden nachfolgend kurz erläutert; eine wesentlich ausführlichere Abhandlung der Fensterlüftung mit allen theoretischen Grundlagen und
praktischen Messungen ist in /9/ zu finden.
Im Bereich der natürlichen Gebäudelüftung können
sich solche die Luftströmung antreibende Druckdifferenzen zwischen innen und außen entweder aufgrund von Lufttemperaturdifferenzen zwischen
innen und außen (= Thermik) ausbilden oder sie
wird bei Windangriff an der Gebäudehaut von den
Windkräften induziert.
Während der meisten Zeit des Jahres treten bei
größeren Gebäuden Thermik und Wind simultan
auf, so daß sich beide Antriebskräfte überlagern;
24)
Testreferenzjahr = vom Deutschen Wetterdienst
erzeugte Wetterdaten eines durchschnittlichen
Jahres, welches eine bestimmte Region von
Deutschland repräsentiert.
25)
Das Testreferenzjahr der Region 3 steht für das
Ruhrgebiet und weitere Ballungsgebiete des
Flachlandes
65
4.1.1 Thermik
Im Falle der ausschließlich thermisch angetriebenen
natürlichen Lüftung (d.h. ohne Windeinfluß) baut
sich aufgrund von Lufttemperaturunterschieden
zwischen innen und außen ein vertikaler
Druckgradient auf, wie in Abb. 61a für einen
Einzelraum mit einseitiger Fensterlüftung (d.h. alle
sonstigen Öffnungen, z.B. Türen, Oberlichter, etc.
sind geschlossen und es gibt keine mechanische
Lüftungsanlage) und vollständig geöffnetem
Drehflügel exemplarisch dargestellt ist.
Generell werden bei Luftströmungen Druckunterschiede durch Dichteunterschiede hervorgerufen, welche unterschiedliche Ursachen
(Temperaturunterschiede, Feuchtedifferenzen,
Konzentrationsgradienten, etc.) haben können.
Im Falle der einseitigen Fensterlüftung werden die
Druckdifferenzen jedoch im wesentlichen durch die
unterschiedlichen Lufttemperaturen innen und
außen verursacht, so daß die restlichen Einflüsse in
guter Näherung vernachlässigt werden können und
die Druckgradienten direkt auf die Temperaturdifferenzen zurückgeführt werden können.
In Abb. 61a ist zu erkennen, daß sich aufgrund der
höheren Lufttemperatur im Raum im oberen
Fensterbereich ein Überdruck gegenüber außen
aufbaut; demgegenüber bildet sich im unteren
Bereich der Fensteröffnung ein Unterdruck
gegenüber außen auf. Beide Bereiche werden durch
die sogenannte „neutrale Zone“ getrennt, in der
Druckgleichheit zwischen innen und außen
herrscht.
Diese Druckverhältnisse führen zu einer
Luftströmung in der Fensteröffnung, wie sie in
Abb. 61b idealisiert dargestellt ist. Der Unterdruck
im unteren Fensterbereich bedingt ein Einströmen
von außen und der Überdruck im oberen Fensterbereich führt zu einem Abströmen der Raumluft.
Da in der dargestellten Strömungssituation ein
jeweils gleichgroßes Luftvolumen in den Raum
hinein wie auch aus dem Raum heraus strömt, wird
dieser Vorgang auch „Luftaustausch“ genannt und
speziell bezüglich der Strömungsrichtung als
„bidirektional“ bezeichnet.
Die Komplexität dieser Luftströmung äußert sich
darin, daß sowohl die Lage der neutralen Zone wie
auch die Intensität der Luftströmungen von einer
Vielzahl von Parametern abhängt, die z.T. sogar
zeitlich variieren. Zum Beispiel sind dies:
Temperaturdifferenz,
detaillierte Ausbildung der Fensteröffnung bzw. deren Strömungswiderstand: bei einem gekippten Fenster nimmt
der Strömungswiderstand nach oben hin
ab, so daß die neutrale Zone nicht in
halber Höhe liegt,
Fensterhöhe.
Insofern entbehrt der Ansatz einer natürlichen
Lüftung mit konstantem Luftwechsel (wie für eine
mechanische Lüftung üblich) jeder Realität und es
66
empfiehlt sich, bei der Planung bzw. Dimensionierung der Fensterlüftung entsprechende bauklimatische Experten zu Rate zu ziehen.
Ein weiterer wichtiger Einfluß ist in einem
überlagerten Überströmen zu sehen.
Eine derartige Situation ist z.B. gegeben, wenn
simultan zur natürlichen Lüftung über eine Öffnung
die mechanische Lüftungsanlage läuft und dabei die
Abluft abgeschaltet oder nicht vorhanden ist
(Überdruckbetrieb). Typischerweise ist eine
derartige Situation in Einkaufsgalerien anzutreffen,
wenn gleichzeitig die Türen der Geschäfte geöffnet
sind und die Lüftungsanlagen nur Zuluft in die
Geschäfte einbringen.
In diesem Fall wird dem bidirektionalen Luftaustausch zwischen den Geschäften und Galerie eine
unidirektionale Luftströmung (aus den Geschäften
in die Galerie hinein) überlagert, was zu einem
Strömungsprofil führt, wie es in Abb. 62 dargestellt
ist.
Darin ist zu erkennen, daß die kühlere Luft aus den
Geschäften im unteren Bereich der offenen Türen
in die Galerie strömt und im oberen Bereich der
Türen ein entsprechender bidirektionaler
Luftaustausch zwischen der Galerie und den
Geschäften stattfindet. Dies bedeutet zum Einen,
daß die Galerie mit Hilfe der Abluft aus den Geschäften und dem Luftaustausch mit den Geschäften gekühlt wird; zum Anderen darf der Warmlufteintrag aus der Galerie in die Geschäfte bei der
Dimensionierung der Kühlung der Geschäfte nicht
vernachlässigt werden, da ansonsten die Auslegungstemperatur nicht mehr eingehalten werden
kann.
Diese komplexen Strömungsverhältnisse werden
noch komplizierter, da der Anteil des bidirektionalen Luftaustausches mit zunehmender Überströmung abnimmt. Abb. 63 zeigt exemplarisch die
Luftströme zwischen einer Einkaufsgalerie und den
angrenzenden Geschäften für unterschiedliches
Überströmen.
Die Beachtung dieser komplexen Strömungsvorgänge bei verbundenen Lufträumen (z.B. Einkaufsgalerien, Glashallen mit offenen Verbindungsfluren, etc.) erfordern eine sorgfältige bauklimatische
Überprüfung der gesamten Lüftungsplanung dieser
Bereiche.
67
4.1.2 Wind
Die natürliche Durchlüftung eines Raumes oder
eines Gebäudes kann neben der Thermik (siehe
Abschnitt 4.1.1) auch durch windinduzierte Kräfte
angetrieben werden; diese resultieren von den sich
bei Windanströmung ausbildenden Druck- und
Sogkräften auf der Gebäudehaut, die sich im
Gebäudeinneren ausgleichen und somit zu einer
windinduzierten Durchlüftung des Gebäudeinneren
führen.
Der Ursprung dieser Kräfte ist dabei im Wind
selbst zu sehen; der Wind wird mit zunehmender
Höhe stärker (atmosphärische Grenzschicht) und
die Form des Windprofils hängt im wesentlichen
von der Rauhigkeit der überströmten Oberfläche ab
(siehe Abb. 64).
Gebäude) auf. Die Standorte der meteorologischen
Meßstationen sind häufig in wenig bebautem Gelände (Stadtrandlage, siehe auch Abb. 64) angesiedelt.
Je nach Gebäudehöhe können daher deutliche
Unterschiede zwischen realem Standort des
Bauvorhabens im Stadtkern und den gemessenen
Windgeschwindigkeiten der Testreferenzjahre der
Wetterstationen auftreten. Diese Unterschiede
sollten bei Simulationen der windbedingten
Gebäudedurchlüftung unbedingt berücksichtigt
werden.
Da die Windgeschwindigkeit mit zunehmender
Höhe ansteigt, sind insbesondere bei hohen
Gebäuden in den oberen Gebäudebereichen häufig
hohe Windgeschwindigkeiten zu beobachten, die
entsprechende Windkräfte an der Gebäudehaut
induzieren. Dies hat bei Hochhäusern zur Folge,
daß zum Einen ein außenliegender Sonnenschutz
kaum realisierbar und zum anderen bei geöffneten
Fenstern und höheren Windgeschwindigkeiten ohne
entsprechende Gegenmaßnahmen eine recht heftige
Fensterlüftung zu erwarten ist.
Die atmosphärische Grenzschicht weist außerhalb
der Stadtkerne einen anderen Profilexponenten als
im Stadtkern mit vielen Bodenunebenheiten (=
68
Der Wind aus einer bestimmten Richtung erzeugt
eine gebäudespezifische Winddruckverteilung auf
der Gebäudehaut. In Abb. 65 sind hierzu einige
Beispiele für einfache Gebäudeformen (Zylinder,
Quader) aufgetragen.
Generell kann man davon ausgehen, daß sich auf
der windzugewandten Seite (LUV) aufgrund des
anströmenden Windes ein Staudruckgebiet
ausbildet; im Windschatten (LEE) und Gebieten
mit Strömungsablösung stellt sich in der Regel
leichter bis mittlerer Sog ein; der stärkste Sog bildet
sich dort aus, wo die Strömung maximal beschleunigt wird, wobei die Lage der maximalen Beschleunigung sehr eng mit der Formgebung des Gebäudes
verknüpft ist und daher nicht verallgemeinert werden kann.
Bei komplexeren Gebäudekubaturen, wie sie sehr
häufig bei Gebäudeensembles mit integrierten Glashallen und Wintergärten auftreten, und im Falle von
hohen Nachbargebäuden (oder sonstigen Strömungshindernissen), die das anströmende Windfeld
maßgeblich beeinflussen, läßt sich die Winddruckverteilung auf der Gebäudehaut nicht abschätzen
oder berechnen. Falls bei derartigen, komplexen
Gebäudeformen die Winddruckbeiwerte ermittelt
werden müssen (z.B. als Eingabedaten für Simulationen der windinduzierten Gebäudedurchlüftung), sind hierzu Messungen im Windkanalversuch unumgänglich. Die Messung der Winddruckverteilungen für unterschiedliche Windrichtungen muss darüber hinaus in einem Grenzschichtwindkanal durchgeführt werden, um Ähnlichkeitsdefekte zu vermeiden 26) T.
Generell weist ein Gebäude bei Windanströmung
Fassaden mit Staudruckbeanspruchung und Fassaden mit Sogbeanspruchung auf. Dies führt bei geöffneten Fenstern dazu, daß sich der Druckunterschied, der an den Fassaden anliegt, innerhalb des
Gebäudes durch Luftströmung im Gebäude selbst
von LUV nach LEE ausgleicht (Querlüftung im
Gebäude); bei großen Druckdifferenzen bzw. hohen
Windgeschwindigkeiten kann die windinduzierte
Durchströmung des Gebäudes recht heftig werden,
so daß die Fenster geschlossen werden müssen. Insbesondere bei scheibenförmigen Gebäuden oder
Großraumbüros mit gegenüberliegenden Fassaden
ist die Gefahr einer zu intensiven Querlüftung aufgrund der fehlenden Türen nicht zu unterschätzen.
Außenlufttemperatur) und im folgenden Abschnitt
näher erläutert werden.
Im Gegensatz zur mechanischen Lüftung weist die
natürliche Lüftung über geöffnete Fenster somit
Grenzen auf, die von äußeren Bedingungen abhängen (z.B. Windgeschwindigkeit und -richtung,
26)
Detailinformationen zu einem Grenzschichtwindkanal sind z.B. direkt bei der Gesellschaft für
Aerodynamik, Zürich, oder deren Internetauftritt
Hwww.gfa.deH zu finden.
69
4.1.3 Grenzen der Fensterlüftung
Die natürliche Querlüftung bzw. Fensterlüftung
weist somit Grenzen auf, so daß zeitweise – d.h. bei
ungünstigen Außenverhältnissen – die Fenster
geschlossen werden müssen (vgl. hierzu auch /9/,
Kap. 3.2).
Im Hinblick auf diese Grenzen müssen generell
folgende Situationen unterschieden werden (siehe
auch Abb. 66):
a) sowohl die Fenster wie auch die Türen der
Räume sind geöffnet;
b) die Türen der Räume sind bei
offenen Fenstern geschlossen.
Lüftung dar.
Auf Basis von Meßwerten der Winddruckverteilungen auf der Gebäudehaut können die
erwartbaren Strömungsverhältnisse im
Gebäudeinneren heutzutage mit modernen
Simulationsprogrammen zuverlässig vorhergesagt
und gegebenenfalls optimiert werden.
Im Fall a) kann sich bei entsprechenden Windkräften eine
intensive Raumdurchströmung
einstellen, die zu recht heftigen
Zugerscheinungen führt und z.B.
Blätter von Schreibtischen herunter
geweht werden. Derartige Zugerscheinungen am Arbeitsplatz
müssen selbstverständlich
vermieden werden, so daß die
Fenster ab einer gewissen
Grenzgeschwindigkeit des Windes,
die für jedes Gebäude und jeden
Raum unterschiedlich sein kann,
geschlossen werden müssen.
Eine zu intensive
Raumdurchströmung kann auch
durch das Schließen der Tür erreicht werden (Fall b)). Es muss
dann damit gerechnet werden, daß
sich der außen an der Fassade
anliegende Winddruck über das
offene Fenster im Raum fortpflanzt
und sich der geschlossenen Tür
aufprägt, so dass diese nur noch
sehr schwer oder gegebenenfalls
gar nicht mehr geöffnet werden
kann (vgl. Abb. 66b). Situationen
mit nicht mehr öffenbaren Türen
sind absolut unzulässig, so daß die
Fenster bei entsprechend hohen
Windgeschwindigkeiten geschlossen werden müssen.
Von einem entsprechenden Nutzerverhalten kann man bei der Planung ausgehen, da Zugerscheinungen i.A. als recht unangenehm
empfunden werden.
Die Kenntnis dieser „Betriebseinschränkungen“ der natürlichen
Lüftung – insbesondere der für das
Bauvorhaben spezifischen Häufigkeiten – stellt eine wesentliche
Grundlage bei der Entscheidung
für oder gegen eine mechanische
70
Im Unterschied zu Büroräumen sind für Glashallen,
die meist keine dauernden Arbeitsplätze aufweisen,
in der Regel nicht so hohe Ansprüche an
Zugfreiheit anzusetzen, so daß sich gerade
Glashallen oftmals sehr gut für eine natürliche
Lüftung eignen.
Bei Glashallen steht im Hinblick auf die natürliche
Lüftung meist eine ausreichende Entwärmung im
Sommer im Mittelpunkt des Interesses. Da die
Glashallen meist keine zusätzliche mechanische
Lüftung aufweisen, müssen die Öffnungen bzw.
Fenster ausreichend dimensioniert werden.
Da die Planung der Gebäudetechnik nicht die Lage
und Größe der Fenster für die natürliche Lüftung
der Glashalle vorsieht (die natürliche Lüftung ist ja
auch keine technische Anlage im ursprünglichen
Sinn, so daß der TGA-Planer nach HOAI 27) T auch
nicht dafür zuständig ist), fällt diese Aufgabe
mangels Alternative dem Architekten zu.
Allerdings ist es von einem Architekten wohl zuviel
verlangt, die äußerst komplexen Strömungsvorgänge der natürlichen Lüftung bis ins Detail zu kennen
und diese auch berechnen bzw. dimensionieren zu
können. Insofern empfiehlt sich in solchen Fällen,
entsprechende Spezialisten für bauklimatische
Simulationen zur Ermittelung der Strömungs- und
Temperaturverhältnisse in der Glashalle heranzuziehen.
Im Unterschied zu kleineren Einzelräumen ist bei
der natürlichen Lüftung von großen Lufträumen mit
Öffnungen an mehreren Fassaden und am Dach
(z.B. Glashallen oder Atrium mit Glasdach) zu
beachten, daß die beiden Antriebskräfte der Fensterlüftung – Thermik und Wind – nicht zwangsläufig in dieselbe Richtung wirken. In ungünstigen
Fällen kann es nämlich durchaus vorkommen, daß
der Wind der Thermik entgegen wirkt, so daß es
trotz Lufttemperaturdifferenzen und mittlerem
Wind zu einem Stillstand der natürlichen Lüftung
kommt. In diesem Fall drückt der Wind auf die
Öffnung im oberen Hallenbereich, aus der die Luft
aufgrund Thermik aus der Halle abströmen soll.
Derart ungünstige Situationen können durch geeignete Gegenmaßnahmen vermieden werden (vgl.
dazu Abschnitt 4.3).
Wie diese Ausführungen zeigen, bietet die
natürliche Lüftung ein enormes Einsparpotential
(z.B. Verzicht auf eine mechanische Lüftung);
allerdings ist dieses Einsparpotential mit einem
erhöhten Planungsaufwand bzw. Beratungsaufwand
verbunden, denn für eine zuverlässige Planung der
Fensterlüftung sollte immer ein Bauklimatiker
hinzugezogen werden. Dieser erhöhte Aufwand in
der frühen Planungsphase wird in aller Regel während des Betriebes mehrfach durch entsprechende
Einsparungen kompensiert und kann insofern nur
dringend empfohlen werden.
27)
Honorarordnung für Architekten und Ingenieure
(= HOAI)
71
4.2
Fensterlüftung bei Büroräumen
Im folgenden wird die Fensterlüftung von Büroräumen (Einzelräumen) näher betrachtet; dabei
wird generell von geschlossenen Türen und
sonstiger Öffnungen ausgegangen, so daß der
Luftaustausch nur über das geöffnete Fenster
stattfindet (einseitige freie Lüftung).
Da die Winddruckdifferenzen auf dem/den
Fenster(n) eines Raumes in der Regel nicht sehr
groß sind (Ausnahme: Eckbüros oder Räume mit
Fenstern in mehreren Fassaden), kann der
Windeinfluß auf die einseitige Fensterlüftung
kleinerer Räume in der Regel vernachlässigt
werden.
Als treibende Antriebskraft für die natürliche
Lüftung über offene Fenster verbleibt somit nur
noch die Thermik, welche sich auf die
unterschiedlichen Lufttemperaturen im Raum und
außen zurückführen läßt (vgl.Abschnitt 4.1.1).
Die Intensität der Fensterlüftung ist von der
Temperaturdifferenz zwischen innen und außen
abhängig ist; bei größeren Temperaturdifferenzen
ist somit ein intensiverer Luftaustausch zu erwarten
als bei niedrigeren Unterschieden.
Diese Tatsache ist jedem aus eigener Erfahrung
bekannt: Die vollständige Öffnung des Fenster im
Winter führt zu einem intensiven Kaltlufteintrag
von außen, während im Sommer über längere Zeit
keine Luftströmung von außen wahrgenommen
wird.
Unter der Annahme, daß sich die Dichteunterschiede der Luft und damit die treibenden Druckgradienten im wesentlichen auf die Lufttemperaturdifferenzen und den thermischen Ausdehnungskoeffizienten β zurückführen lassen (BoussinesqApproximation), kann der Lüftungsvolumenstrom
der natürlichen Lüftung bei einseitiger Fensterlüftung näherungsweise nach Dietze /14/ wie folgt
angesetzt werden (vereinfachend werden dabei
auch die turbulenten Windfluktuationen vernachlässigt, vgl. dazu /9/):
V = 1/3⋅A⋅c V ⋅ (g⋅β⋅ΔT⋅H)1/2
mit
V
A
cV
g
β
ΔT
H
Volumenstrom [m³/s]
Fensterfläche [m²]
Durchflußkoeffizient [-]
Erdbeschleinigung [m/s²]
thermischer Ausdehnungskoeffizient [1/K]
Temperaturdifferenz [K]
Höhe der Fensterfläche [m].
Die Lufttemperaturunterschiede stellen also den
wesentlichen Antrieb der einseitigen Fensterlüftung
dar. In den folgenden Abschnitten sind noch
weitere wichtige Einflüsse auf die Fensterlüftung
dargestellt.
72
4.2.1 Einfluss der Fenster
Größe und Detailausbildung der Fensteröffnung
spielen bei der Bestimmung der Fensterlüftung
eine große Rolle, da Größe und Form der Öffnungsfläche den Strömungswiderstand der Öffnung repräsentieren. In der Aerophysik wird hierfür der
Begriff aerodynamisch wirksame Fläche A ae benutzt; diese ist definiert als das Produkt aus der
geometrisch freien Fläche A f und dem Durchflußbeiwert c V :
sich physikalisch betrachtet auf die unterschiedlichen Durchflußbeiwerte der beiden Fensterstellungen zurückführen.
Darüber hinaus zeigt sich, dass das Verhalten des
Nutzers erheblichen Einfluss auf die natürliche Lüftung hat. Eine genaue Vorhersage der Lüftungsintensität bei Fensterlüftung ist daher nahezu unmöglich.
A ae = A f ⋅ c V
Dabei werden über den Durchflußbeiwert c V
Strömungseffekte wie Einschnürung, Ablösung,
Umlenkung etc. repräsentiert.
Dieser Zusammenhang sei exemplarisch für die
Fensterlüftung erläutert:
In Abb. 67 sind in Abhängigkeit der Lufttemperaturdifferenz zwischen innen und außen die für verschiedene Fensterstellungen zu erwartenden Intensitäten der Fensterlüftung aufgetragen, wobei von
einem handelsüblichen Dreh-/Kippflügelfenster
ausgegangen wird.
Darin ist sehr gut zu erkennen, daß sich bei
voll geöffnetem Fenster (Drehflügel in 90°Stellung) eine wesentlich intensivere Fensterlüftung
einstellt als bei einem gekippten Fenster. Dieser
Zusammenhang ist allgemein bekannt und er läßt
1200
Volumenstrom in [m³/h]
1000
800
600
voll geöffnetes Fenster (Drehflügel)
400
gekipptes Fenster (Kippflügel)
200
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Temperaturdifferenz innen/außen in [K]
Abb. 67: Intensität der einseitigen Fensterlüftung für unterschiedliche Stellungen des Fensterflügels
73
4.2.2 Zulufttemperaturerwärmung
Einschalige Fassade
Bei der natürlichen Lüftung über öffenbare Fenster
sollte im Hinblick auf die sommerlichen Raumtemperaturen die Erwärmung der Außenluft außen an
der Fassade (einschalige Fassade mit Außensonnenschutz, siehe Abb. 68) beachtet werden. Generell
wird bei besonnten Fassaden davon ausgegangen,
dass die auftreffende Solarstrahlung zum Teil absorbiert wird und sich die äußere Fassadenoberfläche – insbesondere die außenliegenden Sonnenschutzlamellen - je nach Speicherfähigkeit mehr
oder weniger erwärmt. Dabei weisen dunkle Fassaden eine höhere Absorption als hellere Fassaden
auf, so dass die letztgenannten eine etwas geringere
Oberflächenerwärmung zeigen.
Die Außenluft, die an dieser äußeren Fassadenoberfläche anliegt, nimmt konvektiv Wärme von der
Oberfläche auf, erwärmt sich und steigt aufgrund
thermischer Kräfte an der Fassade empor. Es bildet
sich eine Grenzschicht an der besonnten Fassade
(siehe Prinzipdarstellung in Abb. 68). Dieser Vorgang ist bei höheren Gebäuden besonders ausgeprägt, da sich die aufsteigende Warmluft immer
mehr erwärmt.
In Abb. 69 a und b sind hierzu exemplarisch die
Lufttemperaturen unmittelbar vor dem Fenster für
verschiedene Fassadenorientierungen aufgetragen,
wobei die Angaben der VDI-Richtlinie 2078 /2/,
Auslegungstag Juli, als meteorologische Basisdaten
zugrunde gelegt sind.
39
37
Auslegungstag Juli
nach VDI 2078,
Kühllastzone 3
35
Temperatur in [°C]
33
31
29
27
Ostfassade (ohne Wind)
Südfassade (ohne Wind)
Westfassade (ohne Wind)
Außenluft
25
23
21
19
17
15
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
Tageszeit (MESZ)
Abb. 69a: Maximalwerte der fassadennahen Lufttemperaturen für unterschiedliche
Fassadenorientierungen und bei geringem Wind (Calmen)
74
Die Linien in Abb. 69a entsprechen der Situation
bei Calmen in München, wie sie an besonders
heißen Sommertagen („Hundstagen“) durchaus
üblich sind; insofern entspricht diese Situation dem
worst case. In Abb. 69a ist zu erkennen, daß die
maximale Lufterwärmung erwartungsgemäß mit
dem Tageslauf der Sonne einhergeht. So weisen die
Ostfassade vormittags, die Südfassade mittags und
die Westfassade nachmittags die höchste Außenlufterwärmung auf. An heißen sonnigen Tagen
ohne Wind kann diese je nach Oberflächenbeschaffenheit durchaus Werte von 5..7 K erreichen.
Etwas weniger kritisch stellt sich die Situation dar,
wenn der Wind die fassadennahe Grenzschicht zum
Teil wegbläst. Wie in Abb. 69b zu sehen ist, führt
mittlerer Wind durchaus zu einer Halbierung der
Zulufttemperaturerwärmungen. Generell hängt die
Wirkung des Windes von der vorherrschenden
Windgeschwindigkeit und dem gebäudenahen
Strömungsfeld ab. Die Erfahrung zeigt jedoch, daß
an sehr heißen Tagen oftmals der Wind nahezu zum
Erliegen kommt. Insofern stellt die Zulufttemperaturerwärmung bei Fensterlüftung ein ernsthaftes
Problem bezüglich der sommerlichen Maximaltemperaturen dar, welches nicht vernachlässigt werden
darf.
39
37
Auslegungstag Juli
nach VDI 2078,
Kühllastzone 3
35
Temperatur in [°C]
33
31
29
27
Ostfassade (mit Wind)
Südfassade (mit Wind)
Westfassade (mit Wind)
Außenluft
25
23
21
19
17
15
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
Tageszeit (MESZ)
Abb. 69b: Maximalwerte der fassadennahen Lufttemperaturen für unterschiedliche
Fassadenorientierungen und bei mittlerem Wind
75
grenzenden Räume daher über eine mechanische
Lüftung oder Kühlung verfügen, um erträgliche
Raumtemperaturen auch an heißen Sommertagen
halten zu können.
In Abb. 70 ist außerdem zu erkennen, daß das Öffnungsverhalten der Nutzer einen gewissen Einfluß
auf die Lufttemperaturen aufweist. Denn bei voll
geöffneten Fenstern (Drehflügelstellung 90°) kann
der Raum während der Nacht besser entwärmt werden als bei gekippten Fenstern, was natürlich auf
die reduzierte Intensität der Fensterlüftung zurückzuführen ist (vgl. Abschnitt 4.2.1).
Doppelschalige Fassade
Im Zusammenhang mit der Fensterlüftung bei doppelschaligen Fassaden kommt der Zulufterwärmung
eine ganz besonders wichtige Bedeutung zu. Denn
die von außen in den Fassadenzwischenraum einströmende Luft erwärmt sich an den integrierten
Sonnenschutzlamellen recht stark, da zum einen der
Wind die Warmluft nicht wegblasen kann und zum
anderen auch der Luftaustausch mit der fassadennahen Außenluft durch die Außenschale verhindert
wird. Dies führt dazu, daß die Luft, die aus dem
Fassadenzwischenraum der doppelschaligen Fassade in den angrenzenden Raum fließt, erheblich
wärmer als die Außenluft ist (vgl.Abschnitt 3.3.4,
Abb. 55).
Die doppelschalige Fassade weist bei reiner Fensterlüftung gegenüber einer einschaligen Fassade
somit einerseits den Nachteil einer deutlich erhöhten Zulufterwärmung auf; andererseits bietet sie
den Vorteil einer einfachen Möglichkeit für einen
natürlichen Nachtlüftungsbetrieb zur Entwärmung
der Speichermassen (denn die Außenschale bietet
einen guten Witterungsschutz).
Je nach Ausbildung der Sonnenschutzlamellen kann
die Aufwärmung der Fassadenluft bei intensiver
Besonnung durchaus 10...15 K erreichen. Es ist
leicht ersichtlich, daß dies bei offenen Fenstern zu
sehr hohen Raumtemperaturen führen kann.
Es sei noch darauf hingewiesen, daß bei
mehrgeschossigen Gebäuden im Hinblick auf die
Zulufterwärmung innerhalb einer doppelschaligen
Fassade ein durchgehender Fassadenzwischenraum
(Vorhangfassade) unbedingt vermieden werden
sollte. Denn es ist leicht verständlich, daß sich bei
einem Fassadenzwischenraum, der sich über mehrere Geschosse erstreckt, die Erwärmung mit der
Höhe stark zunimmt und somit die Fassadenlufttemperaturen im oberen Bereich des Fassadenzwischenraums exorbitant hohe Werte erreichen
können, welche eine Fensterlüftung an heißen
Sommertagen schlichtweg nicht mehr zulassen.
In Abb. 70 ist hierzu exemplarisch der Tagesgang
der Lufttemperaturen für ein nach SW orientiertes
Büro mit einer doppelschaligen Fassade dargestellt.
Wie darin zu erkennen ist, erreicht die Übertemperatur der Luft im Fassadenzwischenraum gegenüber
der Außenluft am Nachmittag, wenn sowohl die
Außenluft wie auch die auftreffende Solarstrahlung
ihr Maximum erreichen, ihre höchsten Werte von
ca. 10...12 K, was sich in recht hohen Raumlufttemperaturen von bis zu ca. 40°C niederschlägt.
Im Falle doppelschaliger Fassaden, die einer intensiven Besonnung ausgesetzt sind, sollten die an45
Außenluft
Auslegungstag Juli
nach VDI 2078,
Kühllastzone 3
Fassadenluft (Fenster voll geöffnet)
40
Temperatur in [°C]
Fassadenluft (Fenster gekippt)
Raumluft (Fenster voll geöffnet)
35
Raumluft (Fenster gekippt)
30
25
20
15
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
Tageszeit (MESZ)
Abb. 70: Lufttemperaturen bei einer doppelschaligen Fassade in Abhängigkeit
des Öffnungsverhaltens der Nutzer
76
24
4.2.3 Rauminnenströmung
Bei einseitiger Fensterlüftung sollte immer darauf
geachtet werden, daß durch Anzahl, Anordnung,
Ausbildung und Größe der Fenster eine Frischluftzufuhr erreicht wird, die für den gesamten Raum
ausreichend ist; aerophysikalisch ausgedrückt sollte
eine raumerfüllende Strömung erreicht werden.
Inwieweit die durch das offene Fenster einströmende Außenluft in den Raum hinein strömt, hängt von
einer Vielzahl von Einflüssen ab.
Der Tatsache des begrenzten Eindringens von
Frischluft durch das Fenster in den Raum hinein
trägt auch die Arbeitsstättenrichtlinie Nr. 5 /15/
Rechnung, indem sie für einseitige Fensterlüftung
eine maximale Raumtiefe von 2,5-facher Raumhöhe zuläßt.
Einen wesentlicher Faktor für die raumerfüllende
Strömung stellt die Fensteröffnung selbst dar, denn
je nach lokalen Strömungsverhältnissen in der
Fensteröffnung dringt die Frischluft mehr oder
weniger weit in den Raum ein. Für eine Beurteilung
der raumerfüllenden Strömung ist die genaue
Kenntnis der Strömungsverhältnisse im gesamten
Raum erforderlich. Diese kann nicht direkt aus der
Lüftungsintensität abgeleitet werden, so daß für die
Ermittlung der örtlichen Luftgeschwindigkeiten
hochauflösende CFD-Simulationen 28) erforderlich
sind.
In den Abb. 71a und 71b sind die Ergebnisse
derartiger aufwendiger und hochkomplexer CFDSimulationen exemplarisch für eine mechanische
Lüftung dargestellt. Auch für eine mechanischen
Lüftung gilt, dass eine ausreichende Raumdurchspülung erreicht und gleichzeitig Zugerscheinungen
vermieden werden sollen.
Wie in Abb. 71a mit den lokalen Luftgeschwindigkeiten zu erkennen ist, kann trotz seitlicher Lufteinbringung (Zuluftband direkt an 3 Seitenwänden
im Boden) eine raumerfüllende Strömung erreicht
werden.
Andererseits sollen die Fensteröffnungen auch nicht
zu groß werden, da bei geöffneten Fenstern so intensive Luftströme auftreten, die zu Zugerscheinungen führen.
Bei einseitiger Fensterlüftung sind Zugerscheinungen eher selten zu erwarten; höchstens im tiefen
Winter kann es vorkommen, dass die einströmende
Kaltluft zu Zugerscheinungen führt. Dem ist mittels
eines stufenlos einstellbaren Fensters recht wirkungsvoll zu begegnen.
Für die Beurteilung von Zugerscheinungen sind
neben der Luftgeschwindigkeit auch die Lufttemperaturen von Bedeutung, wie sie exemplarisch in
Abb. 71b dargestellt sind.
28)
Im Gegensatz zur einseitigen Fensterlüftung können bei der windinduzierten Querlüftung recht
schnell Zugerscheinungen auftreten, wie im folgenden Abschnitt näher erläutert wird.
CFD = Computational Fluid Dynamics
77
4.2.4 Querlüftung
Im Gegensatz zur einseitigen Fensterlüftung, die
hauptsächlich von der Thermik angetrieben wird,
stellt sich eine Querlüftung in Gebäuden in der
Regel nur dann ein, wenn der Wind dem Gebäude
eine entsprechende Winddruckverteilung aufprägt
(vgl. Abschnitt 4.1.2). Das bedeutet, daß es sich bei
der Querlüftung hauptsächlich um eine horizontale
Luftströmung handelt, die von der Fassade mit
Staudruck (LUV) durch das Gebäude in Richtung
der Fassade mit Sog (LEE) fließt.
Je nach Windgeschwindigkeit kann die Querlüftung
recht schnell problematisch werden, indem sie zu
Zugerscheinungen oder hohen Türöffnungskräften
führt. Somit ist die Querlüftung bei exponierten
Lagen, die dem Wind besonders ausgesetzt sind,
kritisch zu überprüfen. Aufgrund des mit der Höhe
zunehmenden Windes (siehe atmosphärisches
Grenzschichtprofil, Abschnitt 4.1.2) sind Hochhäuser im Hinblick auf Querlüftung besonders kritisch zu betrachten.
Im folgenden wird hierzu exemplarisch vorgeführt,
wie sich die windbedingten Betriebseinschränkungen der Fensterlüftung in einem Hochhaus mit
bereichsweise doppelschaliger Fassade abschätzen
und optimieren lassen.
Als Beispiel dient ein ca. 100 m hohes Gebäude mit
trapezähnlichem Grundriss und ca. 500 m² Grundfläche, welches nach Süden hin eine geschwungene
doppelschalige Fassade aufweist.
Die Grundlage bildet die im Windkanal am Modell
1:200 gemessene Winddruckverteilung auf der Gebäudehaut, wie sie exemplarisch für die Hauptwindrichtung in Abb. 72 dargestellt ist. Es ist zu erkennen, dass die Sogspitzen im Bereich der doppelschaligen Fassade nach Süden auftreten; somit ist
bei Windanströmung aus der Hauptwindrichtung
SW und geöffneten Fenstern eine Querlüftung von
der Nordseite zur Südseite hin zu erwarten. Die
Stirnseiten weisen keine Fenster auf und weisen
daher keinen Einfluss auf die Querlüftung auf.
78
Die geschwungene Südfassade weist eine doppelschalige Fassade auf, der im Hinblick auf die
Fensterlüftung eine wichtige Funktion zugedacht
ist: Über den Fassadenzwischenraum der
doppelschaligen Fassade sollen die zwischen den
Fassaden herrschenden Winddruckdifferenzen
teilweise abgebaut werden, so dass auch bei
stärkeren Winden noch über die Fenster gelüftet
werden kann und somit auf eine mechanische
Lüftung verzichtet werden kann. Aerophysikalisch
beschrieben bedeutet dies, daß durch eine Luftströmung vom Staudruckgebiet zu den Sogspitzen
an der Südfassade hin ein gewisser Winddruckausgleich angestrebt wird (siehe dazu Abb. 73).
Die Bauweise der doppelschaligen Fassade ohne
seitliche Schottungen (vertikal ist die doppelschalige Fassade geschoßweise horizontal geschottet,
vgl. Abschnitt 4.2.2) bedingt allerdings akustische
Probleme, da bei offenen Fenstern die Schallübertragung von zwei nebeneinander angeordneten
Räumen über den Zwischenraum der doppelschaligen Fassade kaum zu verhindern ist. Diesem
Nachteil steht die Möglichkeit zur Einsparung der
mechanischen Lüftungsanlage gegenüber, so daß es
sich oftmals lohnt, die unterschiedlichen Bauweisen
im Detail zu vergleichen. Hierzu sind strömungstechnische Untersuchungen erforderlich, die in der
Regel nur von bauklimatischen Experten durchgeführt werden können. Zur Veranschaulichung
sind im folgenden die wichtigsten Ergebnisse einer
derartigen Untersuchung für das vorliegende Beispiel aufgeführt.
79
Zunächst wird die Querlüftung
für die in Frage kommenden
Fassadenvarianten im kritischen
Geschoß bei mittlerem Wind aus
der Hauptwindrichtung
analysiert; dabei stellt sich das
kritische Geschoß als dasjenige
Geschoß dar, welches in der
Horizontalen (also zwischen
Staudruck und Sog) die
maximalen Differenzen der
Winddruckbeiwerte aufweist.
Im ersten Schritt wird davon ausgegangen, dass im Geschoß alle
Bürotüren offen und alle Fenster
in gekippter Stellung sind. In
Abb. 74 sind die für die beiden
Varianten der doppelschaligen
Fassade (ohne bzw. mit seitlichen
Schottungen) in den einzelnen
Büros zu erwartenden Fensterlüftungsintensitäten dargestellt.
Die Luftströme bewegen sich
erwartungsgemäß von der
Fassade mit Staudruck und eher
schwachem Sog zur Südfassade
mit den Sogspitzen hin.
Abb. 74 zeigt darüber hinaus,
dass sich der teilweise
Winddruckabbau über den
Zwischenraum der
doppelschaligen Fassade in einer
deutlichen Reduzierung der
Lüftungsvolumenströme
niederschlägt, denn die maximale
Luftwechselrate beträgt bei der
umlaufenden doppelschaligen
Fassade ca. 50 bis 55 Luftwechsel
pro Stunde (LW), wohingegen bei
der raumweise geschotteten
doppelschaligen Fassade
Lüftungsintensitäten von ca. 85
bis 95 LW auftreten.
Der Grund hierfür liegt darin, dass der Winddruck
bei Variante b) ausschließlich über die Büroräume
ausglichen werden kann und somit zu entsprechend
intensiven Luftströmen führt.
Generell zeigen die Werte, daß bei mittlerem Wind
zwar teilweise bereits recht intensive Luftströme zu
erwarten sind, aber die Fenster noch nicht
unbedingt geschlossen werden müssen.
80
Da im Hinblick auf Betriebseinschränkungen der
Fensterlüftung die Kenntnis der Windgeschwindigkeit, bei der die Fenster geschlossen werden
müssen, sehr wichtig ist, wird im zweiten Schritt
eine Extremwertbetrachtung durchgeführt.
In Abb. 75 sind hierzu die Luftwechselraten in den
kritischen Büros in Abhängigkeit der Windgeschwindigkeit – wiederum für die beiden Fassadenvarianten – gegenübergestellt. Darin ist zu
erkennen, daß die als zulässiges Maximum
erachtete Luftwechselrate von 200 LW (entspricht
einer Luftgeschwindigkeit von ca. 1,5 m/s im Türquerschnitt, vgl. Abschnitt 4.1.3) bei der geschotteten doppelschaligen Fassade bereits bei einer Windgeschwindigkeit von ca. 11 bis 12 m/s auftritt. Im
Falle der umlaufenden doppelschaligen Fassade ist
diese hohe Lüftungsintensität erst bei einer Windgeschwindigkeit von über 20 m/s zu erwarten. Hier
liegt also im Hinblick auf Betriebseinschränkungen
der Fensterlüftung ein erheblicher Vorteil der umlaufenden doppelschaligen Fassade gegenüber der
raumweise geschotteten doppelschaligen Fassade.
Lüftungsintensität in [LW]
300
250
200
150
100
50
0
0
5
10
15
20
25
Windgeschwindigkeit in [m/s]
raumweise geschottete doppelschalige Fassade
umlaufende doppelschalige Fassade
Abb. 75: Intensität der Querlüftung über offene Fenster/Türen für unterschiedliche Windgeschwindigkeiten aus der Hauptwindrichtung SW
81
Für den Betrieb des Gebäudes
zumindest ebensowichtig wie
die Werte der Lüftungsintensität
sind die bei Fensterlüftung zu
erwartenden Werte des Türdrucks, da diese eventuell dazu
führen, daß einzelne Türen von
den anwesenden Personen nicht
mehr geöffnet werden können.
Aus diesem Grund wird im
dritten Schritt die Fensterlüftung
bei geschlossenen Bürotüren
analysiert.
In Abb. 76 sind die bei mittlerem Wind aus der Hauptwindrichtung zu erwartenden Werte
des Türdrucks für die beiden
Fassadenvarianten gegenübergestellt. Darin ist zu erkennen,
daß die umlaufende doppelschalige Fassade in Analogie zur
Lüftungsintensität auch Vorteile
im Hinblick auf den zu erwartenden Türdruck aufweist.
Generell liegen diese Werte für
die mittlere Windgeschwindigkeit im unkritischen Bereich.
82
Wie bei der Betrachtung der Lüftungsintensität ist
auch bei der Analyse des Türdrucks die Kenntnis
der Windgeschwindigkeit, bei der die Fenster
geschlossen werden müssen, sehr wichtig für die
Betriebseinschränkungen der Fensterlüftung. Im
vierten Schritt wird daher wiederum eine entsprechende Extremwertbetrachtung durchgeführt.
In Abb. 77 sind die für die beiden Fassadenvarianten in Abhängigkeit von der Windgeschwindigkeit
erforderlichen Türöffnungskräfte im kritischen
Büro aufgetragen. Es ist zu erkennen, dass im Fall
der raumweise geschotteten doppelschalige Fassade
die kritische Grenze von 100 N wiederum bei ca.
12 bis 13 m/s erreicht wird, wohingegen diese bei
der umlaufenden doppelschaligen Fassade erst bei
einer Windgeschwindigkeit von ca. 21 bis 22 m/s
auftritt.
Dieses Ergebnis verdeutlich noch einmal, wie stark
sich der Winddruckabbau über den Fassadenzwischenraum der doppelschaligen Fassade auf die
Grenzen der Fensterlüftung auswirkt.
Türöffnungskraft in [N]
120
100
80
60
40
20
0
0
5
10
15
20
25
Windgeschwindigkeit in [m/s]
raumweise geschottete doppelschalige Fassade
umlaufende doppelschalige Fassade
Abb. 77: Türöffnungskräfte bei Fensterlüftung für unterschiedliche
Windgeschwindigkeiten aus der Hauptwindrichtung SW
83
Eine Auswertung für alle Windrichtungen, die auf
den statistischen Winddaten des Standorts basiert,
ergibt eine abschließende Beurteilung der für die
jeweilige Fassadenvariante zu erwartenden
Betriebseinschränkungen der Fensterlüftung.
Die Ergebnisse dieser umfangreichen Berechnungen sind für die beiden Fassadenvarianten in
den Abb. 78 und 79 dargestellt.
Während der meisten Zeit des Jahres (91%) liegt
die Querlüftung im Falle der umlaufenden doppelschaligen Fassade in einem unproblematischen
Bereich (vgl. Abb. 78). Geht man davon aus, daß
die während einiger Stunden im Jahr zu erwartenden Zugerscheinungen (8%) durch das Schließen
der Bürotüren auf einfache Weise zu vermeiden
sind, so kann die Fensterlüftung in diesem Fall
während 99% der Betriebszeit ohne größere Probleme stattfinden. Nur während ca. 1% der
Betriebszeit muss mit ernsthaften Betriebseinschränkungen aufgrund von zu starkem Wind
gerechnet werden.
Fenster noch öffenbar,
aber sehr ausgeprägte
Zug-erscheinungen
(F < 100 N und
LW > 200 1/h)
Fenster wegen zu
großer
Türöffnungskräfte nicht
mehr öffenbar
(F > 100 N)
1%
8%
Fenster noch öffenbar,
aber
Zugerscheinungen
(F < 100 N und
LW < 200 1/h)
0%
91%
Fensterlüftung im
Komfortbereich
(F < 40 N und
LW < 10 1/h)
Abb. 78: Häufigkeit der Betriebseinschränkungen der Fensterlüftung für die
umlaufende doppelschalige Fassade ohne raumweise seitliche Schottungen
84
Demgegenüber ergibt sich für die raumweise geschottete doppelschalige Fassade die Möglichkeit
der Fensterlüftung im Komfortbereich nur während
ca. 74% der Betriebszeit, wie in Abb. 79 dargestellt
ist. Während immerhin 20% der Betriebszeit sind
Zugerscheinungen zu erwarten und mit ernsthaften
Betriebseinschränkungen muß während ca. 6% der
Betriebszeit gerechnet werden; dabei wird das
Öffnen der Türen während ca. 1% der Betriebszeit
problematisch.
Ein Vergleich der beiden Fassadenvarianten zeigt
somit, daß nur die umlaufende doppelschalige
Fassade ohne seitliche Schottungen das Potential
aufweist, auf eine mechanische Lüftungsanlage
verzichten zu können.
.
Fenster noch öffenbar,
aber sehr ausgeprägte
Zug-erscheinungen
(F < 100 N und
LW > 200 1/h)
Fenster wegen zu
großer
Türöffnungskräfte nicht
mehr öffenbar
(F > 100 N)
1%
5%
Fenster noch öffenbar,
aber
Zugerscheinungen
(F < 100 N und
LW < 200 1/h)
20%
74%
Fensterlüftung im
Komfortbereich
(F < 40 N und
LW < 10 1/h)
Abb. 79: Häufigkeiten der Betriebseinschränkungen der Fensterlüftung für
die raumweise geschottete doppelschalige Fassade
85
4.3
Fensterlüftung in Glashallen
Im Gegensatz zur einseitigen Fensterlüftung, bei
der sowohl die von außen einströmende Luft wie
auch die aus dem Raum abströmende Luft über
dieselbe Fensteröffnung fließt, ist bei der
natürlichen Lüftung von großen Räumen (z.B.
Verkaufsräume, Glashallen, Eingangsbereiche,
Innenhöfe, etc.) in der Regel davon auszugehen,
daß Zuluft und Abluft nicht über dieselbe Öffnung
strömen. Bei großen Hallen gibt es daher in der
Regel Zuluftöffnungen (meist im unteren Hallenbereich) und Abluftöffnungen (möglichst am höchsten Punkt des Innenraums, um Warmluftstaus zu
vermeiden, siehe Abschnitt 4.3.1 und Abb. 80.
Diese Strömungsform bedingt eine etwas andere
Berechnung als die einseitige Fensterlüftung.
Geht man von der Annahme aus, daß sich die
Dichteunterschiede der Luft und damit die
treibenden Druckgradienten im wesentlichen auf
die Lufttemperaturdifferenzen und den thermischen
Ausdehnungskoeffizienten β zurückführen lassen
(Boussinesq-Approximation), so kann der
Lüftungsvolumenstrom der natürlichen Lüftung
von großen Räumen mit Zu- und Abluftöffnungen
nach Dietze /14/ unter Vernachlässigung der turbulenten Windfluktuationen näherungsweise wie
folgt angesetzt werden:
V = A⋅c V ⋅ (g⋅β⋅ΔT⋅ΔH)1/2
mit
V
A
cV
g
β
ΔT
ΔH
Volumenstrom [m³/s]
Öffnungsfläche [m²]
Durchflußkoeffizient [-]
Erdbeschleinigung [m/s²]
thermischer Ausdehnungskoeffizient [1/K]
Temperaturdifferenz [K]
Höhendifferenz der Zu- und Abluftöffnung
[m].
In Analogie zur einseitigen Fensterlüftung stellen
die Lufttemperaturunterschiede zwischen innen und
außen einen wesentlichen Antrieb der natürlichen
Lüftung aufgrund von Thermik dar. Im Gegensatz
zur einseitigen Fensterlüftung kann bei der
Hallenlüftung jedoch auch der Wind einen großen
Einfluß haben, wie in Abschnitt 4.3.2 noch näher
erläutert wird.
86
4.3.1 Einfluss der Lüftungsöffnungen
In Analogie zur einseitigen Fensterlüftung sind die
Größe und die genaue Ausbildung der Lüftungsöffnung, also die aerophysikalisch wirksame Fläche
(vgl. Kap 4.2.1), auch bei der Hallenlüftung Einflussfaktoren, denn sie stellen die dominierenden
Strömungswiderstände für die natürliche
rliche Lüftung
dar.
Im Gegensatz zur einseitigen Fensterlüftung kommt
bei der Hallenlüftung auch der Lage der Lüftungsöffnungen eine große Bedeutung zu. Je nach Lage
kann sich aufgrund der aufsteigenden warmen Luft
direkt unterhalb des Dachs ein Warmluftpolster
ausbilden (siehe Abschnitt 3.3.3, Abb. 27 bis 29).
Es empfiehlt sich, die Abluftöffnung in den
höchsten Punkt im Hallenraum zu legen, so daß
warme Luft nach außen abfließen kann.
Die Ausbildung eines Warmluftstaus ist insbesondere durch Anordnung eines innenliegenden Sonnenschutzes unter dem Glasdach zu vermeiden.
Für eine ausreichende Sonnenschutzwirkung
empfiehlt sich dringend eine gute Hinterlüftung des
Innensonnenschutzes, da dieser sich andernfalls bei
intensiver Besonnung sehr stark erwärmt und wie
ein „Heizstrahler“ auf die Personen im
Aufenthaltsbereich der Glashalle einwirkt.
Wie sich die Größe und Anzahl der Lüftungsöffnungen auf die Lüftungsintensität auswirken, zeigt
exemplarisch Abb. 81 für die natürliche Lüftung
einer Glashalle.
Darin ist zu erkennen, daß im Falle der thermisch
angetrieben Hallenlüftung mit zunehmender
Fenstergröße erwartungsgemäß auch die Intensität
der natürlichen Lüftung zunimmt. Einen
entsprechenden Einfluß weist die Fenstergröße
auch bei der windinduzierten natürlichen Lüftung
auf.
Die Frage nach der erforderlichen Größe der
Lüftungsöffnungen stellt sich in der Regel im
Zusammenhang mit den angestrebten
sommerlichen Temperaturen in der Glashalle,
wobei im Falle angrenzender Büros mit Fensterlüftung auf eine ausreichende Frischluftzufuhr
geachtet werden muß. Näheres hierzu wird in
Abschnitt 6.1.3 ausgeführt.
100000
Fensterfläche 5 m²
Fensterfläche 10 m²
Fensterfläche 20 m²
90000
Volumenstrom in [m³/h]
80000
70000
60000
50000
40000
30000
20000
10000
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Temperaturdifferenz in [K]
Abb. 81: Lüftungsintensität für unterschiedliche Fenstergrößen einer Glashalle
87
4.3.2 Überlagerung von Wind und
Thermik
Große Hallenräume weisen häufig großflächige
seitliche Verglasungen und Glasdächer auf. Diese
Glasfassaden sind in der Regel dem Windangriff
ausgesetzt. Im Gegensatz zur einseitigen Fensterlüftung von Büros wird die natürliche Lüftung von
Glashallen über mehrere Lüftungselemente realisiert, die oftmals in unterschiedlich orientierten
Fassaden und am Glasdach angeordnet sind. Diese
unterschiedliche Lage der Fenster führt bei
Windanströmung des Gebäudes dazu, daß sich den
einzelnen Lüftungsöffnungen auch unterschiedliche
Winddruckwerte aufprägen. Diese windinduzierten
Druckunterschiede gleichen sich im Innenraum der
Glashalle aus und führen auf diese Weise zu
Luftströmungen im Halleninnenraum.
Im Gegensatz zur thermisch angetriebenen
natürlichen Lüftung, die eine vertikale
Luftströmung hervorruft, kann die windbedingte
natürliche Lüftung alle möglichen Strömungsbilder
induzieren. Denn die Winddruckwerte auf der
Außenhaut variieren nicht nur in horizontaler (LUV
und LEE, die eine Querlüftung hervorrufen),
sondern auch in vertikaler Richtung. Oftmals wird
die Windanströmung durch Nachbargebäude bzw.
Strömungshindernisse im nahen Umfeld beeinflußt.
In Abb. 82 ist hierzu exemplarisch die Winddruckverteilung und die isotherme Durchlüftung einer
Glashalle dargestellt, wie sie aufgrund einer
seitlichen Windanströmung zu erwarten ist. Darin
ist zu erkennen, daß im oberen Bereich der
angeströmten Glasfassade (LUV) aufgrund von
Gebäudeeinwirkungen (in diesem Fall ist die
Glasfassade mit den Öffnungselementen etwas nach
innen versetzt) leichter Sog herrscht. Im Gegensatz
zur thermisch bedingten Hallenlüftung strömt in
diesem Beispiel die Luft auch im unteren Bereich
der windabgewandten Seite (LEE) aus der Halle ab.
Es zeigt sich, daß die windinduzierte Hallenlüftung
in manchen Bereichen die Lüftung aufgrund
Thermik unterstützt (dieselbe Wirkrichtung). In
einigen Bereichen, die je nach Windrichtung
unterschiedlich liegen können, muß jedoch davon
ausgegangen werden, daß die Windkräfte dem
thermischen Antrieb entgegenwirken
(entgegengesetzte Wirkrichtung).
Da während der meisten Zeit des Jahres sowohl
Lufttemperaturdifferenzen zwischen innen und
außen wie auch Wind vorherrschen, empfiehlt sich
eine genaue Analyse der Strömungsverhältnisse bei
natürlicher Lüftung.
88
Da sich die Temperaturen in einer Glashalle mit
dem Sonnengang permanent ändern, empfiehlt sich
die Analyse eines ganzen Sommertages, nicht nur
eines einzelnen diskreten Zustandes.
In Abb. 83 sind exemplarisch die Ergebnisse einer
derartigen Untersuchung dargestellt, wobei neben
allen Windrichtungen auch der reine Thermikfall,
d.h. Luftbewegung ohne Windeinfluß, mit enthalten
ist. Darin ist zu erkennen, daß sich bei
südwestlichen Winden Wind und Thermik recht gut
unterstützen. Bei südöstlichen Winden ist der
Einfluß des Windes eher gering. Bei Winden aus
nördlichen Richtungen wirken Wind und Thermik
gegeneinander; bei Wind direkt aus Nord (0°) und
NNW (330°) führt dies sogar zu einer nahezu
ganztägigen Strömungsumkehr in der Glashalle. Da
in diesem Fall die Luft oben am Glasdach einströmt
und im unteren Bereich abströmt, muß mit erhöhten
Temperaturen im Aufenthaltsbereich der Glashalle
gerechnet werden.
Im Zusammenhang mit den sommerlichen
Temperaturen in der Glashalle sollten daher derart
ungünstige Strömungsverhältnisse vermieden
werden. Detaillierte Simulationen der zu
erwartenden Strömungsverhältnisse in der
Glashalle können hierfür wertvolle Hinweise und
Lösungsansätze liefern.
89
4.4
Vertikale Gebäudedurchlüftung
Wie in den vorangehenden Abschnitten beschrieben, wird die
natürliche Lüftung in Büros und
Glashallen von thermischen Kräften, die auf Lufttemperaturdifferenzen zwischen innen und außen zurückzuführen sind, angetrieben.
Oftmals wird dabei übersehen, daß
die größten Temperaturdifferenzen
im Winter, bei tiefen Außentemperaturen, auftreten. Diese großen
Temperaturdifferenzen, die durchaus 30 bis 40 K erreichen können,
führen insbesondere bei hohen Gebäuden zu enormen Druckdifferenzen.
In Abb. 84 ist hierzu prinzipiell der
vertikale Druckgradient für ein
hohes Gebäude dargestellt. Im
oberen Gebäudebereich herrscht
ein starker Überdruck gegenüber
außen und im Fußbereich des
Gebäudes herrscht ein starker
Unterdruck gegenüber außen.
90
Derartige Druckverhältnisse führen dazu, daß eine
Fensterlüftung im Winter oftmals nicht mehr
möglich ist, da es bei offenen Fenstern zu einer sehr
intensiven vertikalen Gebäudedurchlüftung
kommen würde, die sich auch in sehr hohen
Türöffnungskräften niederschlagen würde.
Trotz geschlossener Fenster bergen die
aufgezeigten Druckverhältnisse noch weitere
Risiken:
•
Das größte Problem ist vermutlich im
Eingangsbereich zu sehen. In dem Moment, in
dem sich die Eingangstüren öffnen, muß –
ohne weitere Gegenmaßnahmen – mit einem
recht heftigen Kaltlufteintrag gerechnet
werden, welcher weit in die Eingangshalle
hinein einwirken kann und sich u.U. äußerst
negativ auswirken kann.
Dem kann durch Karusseltüren und/oder
zusätzliche Luftschleusen entgegengewirkt
werden.
•
In den obersten und untersten Geschossen
prägt sich der thermische Druck den Türen auf,
so daß die zum Öffnen der Türen erforderlichen Kräfte stark ansteigen.
Dem kann durch eine stärkere Raumgliederung
(bei mehreren hintereinanderliegenden Türen
verteilt sich der Druck auf die einzelnen Türen,
Glastrennwände, etc.) und/oder auch durch
automatische Türöffner entgegengewirkt
werden.
•
Bei großflächigen Verglasungen im unteren
Gebäudebereich (z.B. Eingangshalle) muß trotz
geschlossener Fenster mit einem entsprechenden Kaltlufteintrag gerechnet werden, da auch
eine feststehende Verglasung nicht absolut
luftdicht ist. Je nach Dichtheit der Glasfassade
fällt der Kaltlufteintrag mehr oder weniger
intensiv aus.
•
Falls in den Untergeschossen des Gebäudes
eine Tiefgarage vorhanden ist, muß zum einen
darauf geachtet werden, daß die Verbindung
zwischen Tiefgarage und Liftschächten mit
ordnungsgemäßen Schleusen versehen ist. Zum
anderen sollten die nach außen führenden Tore
der Tiefgarage möglichst geschlossen sein, um
ein intensives Nachströmen von kalter Außenluft zu vermeiden.
Luftvolumen als Netzwerk von Knoten, die miteinander über einen Widerstand verbunden sind,
abbilden. Diese Methode liefert für vorgegebene
Lufttemperaturen quasi-stationäre Luftvolumenströme als Ergebnisse. Die Anwendung solcher
Simulationen ist immer dann sinnvoll, wenn die
angesprochenen Probleme nicht ausgeschlossen
werden können.
Eine detaillierte Analyse der vertikalen Gebäudedurchlüftung ist aufgrund der Vielzahl von
möglichen Strömungspfaden (Schächte, Treppenhäuser, Innenhöfe, etc.) und Strömungshindernissen
(Türen, Einschnürungen, Umlenkungen, etc.), die
jeweils einen gewissen Druckabbau bedingen, mit
einfachen Abschätzungen nicht durchführbar.
Hierfür sind aerophysikalische Simulationen
erforderlich, welche die Strömungspfade und die
91
5.
Speichermassen
Eine weitere gewichtige passive Maßnahme zur
Reduzierung des Energiebedarfs ist in der Nutzung
von Speichermassen zu sehen. Dabei unterscheidet
man zwischen Speichermassen, die im Gebäude
selbst vorhanden sind, und Speichermassen, die
außerhalb des Gebäudes genutzt werden können.
5.1
Speichermassen im Gebäude
Unter Speichermasse im Gebäude versteht man die
gut speichernden Bauteile, z.B. Wände, Decken,
Böden, etc. Es ist schon seit langem bekannt, daß
eine schwere Bauweise grundsätzliche energetische
Vorteile bietet, dennoch ist die Wirksamkeit von
Speichermassen oftmals sehr stark eingegrenzt, wie
im folgenden aufgezeigt wird:
Akustikpaneel, etc.) werden heute oftmals als
Sichtinstallation an der Decke ausgeführt.
Die Nutzung der Decke als Speichermasse zur
Dämpfung der sommerlichen Raumtemperaturen
kann mit unterschiedlicher Intensität betrieben
werden.
Die einfachste Stufe ist die passive Nutzung der
Decke, indem tagsüber die Aufnahme von Wärme
zu einer Dämpfung der sommerlichen Raumtemperaturen führt. Dabei ist zu beachten, dass für eine
entsprechende Effizienz die Decke an den heißen
Tagen des Jahres während der Nacht wieder entwärmt werden muss, um am nächsten Tag wiederum als Wärmesenke zur Verfügung zu stehen.
Dies kann z.B. mittels Nachtlüftungsbetrieb über
geöffnete Fenster realisiert werden (siehe Abb. 85).
Boden
Heutzutage wird in modernen Bürogebäuden gern
ein Hohlraum- oder Doppelboden eingesetzt, um
Installationen einfach unterbringen zu können
(siehe Abb. 85). In diesem Fall wird die Speichermasse des Bodens nahezu vollständig vom Raum
abgeschirmt.
Innenwände
Leider bestehen die meisten Bauherren auf einer
hohen Raumflexibilität, so daß die Seitenwände der
Räume fast immer in Leichtbauweise (üblicherweise Gipskarton-Ständerwände) ausgeführt werden. Eine derartige Trennwand weist praktisch fast
keine nutzbare Speichermasse auf.
In den letzten Jahren wird außerdem häufig die
Rückwand großflächig verglast, so daß auch dieses
Bauteil keinen merklichen Beitrag zur Speicherfähigkeit des Raumes beitragen kann.
Außenwände
Der Trend in der Architektur zu immer mehr
Transparenz führt für Bürobauten häufig zu
Fassaden mit einem hohen Verglasungsanteil;
manchmal sind die Außenwände sogar vollflächig
verglast, so daß sie praktisch keine Speicherfähigkeit mehr aufweisen (siehe Abb. 85).
Decke
Die Decke der Räume wurde früher aus
gestalterischen Gründen häufig als abgehängte
Decke ausgeführt; im Zwischenraum der abgehängten Decke wurden Installationsleitungen geführt.
Dies führte dazu, daß die Decke praktisch vom
Raum isoliert war und keinen Beitrag zur Speicherfähigkeit leisten konnte.
In den letzten Jahren hat sich bezüglich der abgehängten Decke ein Umdenkungsprozess vollzogen,
indem immer mehr Wert auf energiesparende Maßnahmen und somit auf die Speicherfähigkeit des
Raumes gelegt wird. Die nach wie vor erforderlichen Installationsleitungen (z.B. Beleuchtung,
Allerdings können mit einem derartigen Nachtlüftungsbetrieb Probleme verbunden sein, von denen
einige sind:
• Sicherheit (Einbruch, Diebstahl, etc.),
• Witterungsschutz (z.B. nächtliches Gewitter),
• Lüftungsintensität (eventuell nicht ausreichend
bei gekipptem Fenster),
• Zuverlässigkeit bei manueller Bedienung.
Gleichwohl ist der dargestellte Lüftungsbetrieb am
weitesten verbreitet und aus dem Alltag am besten
bekannt.
92
Luft weist eine relativ geringe Wärmekapazität auf,
so daß mittels Nachtlüftung nur eine begrenzte
Wärmemenge aus den Speichermassen des Raumes
abgeführt werden kann. Zudem steigt die Lufttemperatur an sonnigen Sommertagen so hoch an, dass
mittels Lüftung nicht mehr gekühlt werden kann.
Bei sehr hohen Außenlufttemperaturen wird der
Raum durch die Fensterlüftung sogar noch zusätzlich erwärmt.
Betonkernkühlung
Diesen Nachteilen kann durch eine Aktivierung der
Speichermassen mittels Wasserrohren in der Sichtbetondecke begegnet werden (siehe Prinzipdarstellung in Abb. 86). Dabei wird die in die Decke eingespeicherte Wärme über das hochkapazitive Wasser in kleinen Rohren, die in die Betondecke eingebettet sind, abtransportiert („Betonkernkühlung“).
Neben einem deutlich erhöhten Wärmeabfluß bietet
ein derartiges System den Vorteil, daß tagsüber bei
hohen Außenlufttemperaturen Wasser durch die
Decke fließen kann und somit ein relativ angenehmes Klima auch an heißen Sommertagen erreicht
wird. Ein weiterer Vorteil dieses Systems besteht
in der Grundtemperierung des Gebäudes im Winter.
Der Nachteil solcher Systeme liegt in ihrer Trägheit, die sich ungünstig auf die Regelbarkeit auswirkt. Insofern empfiehlt sich die Betonkernkühlung eher für große oder viele ähnliche Räume.
Ein weiteres Problem ergibt sich manchmal im
Zusammenhang mit raumakustischen Maßnahmen, denn die Betonkernkühlung basiert auf thermischer Strahlung (die kühle Oberfläche der
Decke strahlt in den Raum ähnlich wie eine Kühldecke, siehe Abb. 87), die durch großflächig abgehängte Akustikpaneele stark behindert werden
kann.
Gleichwohl stellt die Betonkernkühlung ein
kostengünstiges und effizientes System dar, welches sich beispielsweise mit Erdkälte/-wärmesystemen kombinieren lässt (z.B. Gebäudebodenplatte
oder Bodenpfähle als Wärmetauscher).
93
5.2
Erdreich als Speichermasse
Neben den Speichermassen im Gebäude selbst kann
auch die enorme Speichermasse des Erdreichs zu
Temperierungszwecken genutzt werden. Als
Transportmedium können dabei sowohl Wasser als
auch Luft genutzt werden.
Im Rahmen eines Wassersystems können dabei die
Bodenplatte des Gebäudes oder die Pfähle einer
Pfahlgründung als Wärmetauscher mit dem Erdreich ausgebildet werden, wie es sich insbesondere
im Zusammenhang mit wasserführenden Kühlsystemen (z.B. Kühldecken, Betonkernkühlung,
etc.) anbietet.
Trotz geringerer Effizienz sind luftbasierte Systeme
derzeit deutlich populärer. Wie in Abb. 88 mit den
beiden Alternativen Thermokanal bzw. Erdregister
dargestellt, wird dabei das Erdreich dazu genutzt,
die von außen einströmende Zuluft im Sommer vorzukühlen und im Winter vorzuwärmen. Ein ganzjähriger Betrieb des Erdregisters bzw. Thermokanals bietet den Vorteil, daß die Jahresbilanz bezüglich der im Sommer in das Erdreich eingespeicherten und im Winter dem Erdreich entzogenen Wärme einigermaßen ausgeglichen ausfällt, was aus
ökologischer Sicht wünschenswert ist.
Im Hinblick auf die Leistungsfähigkeit der luftbasierten Systeme sei angemerkt, daß diese sehr häufig maßlos überschätzt wird.
94
Lufttemperatur am Ende des Thermokanals in [°C]
Darüber hinaus ist Abb. 89 zu entnehmen, dass eine merkliche Vorkühlung der
Zuluft für ein Gebäude mit einem Raumvolumen von ca. 5.000 m³ einen relativ
langen Thermokanal erfordert (z.B. 400
bis 500 m). Meist stehen jedoch nur sehr
viel kürze Lauflängen zur Verfügung, die
mit geringem Aufwand genutzt werden
können. Große Lauflängen bedeuten fast
immer einen erheblichen zusätzlichen
Aufwand, der aus wirtschaftlichen
Gründen meist abgelehnt wird.
Andererseits muß den Planenden klar
sein, daß sehr kurze Lauflängen, z.B. 20
bis 50 m, nur eine vernachlässigbare
Vorkühlung leisten. Darüber hinaus bedingen große Lauflängen auch einen erhöhten Strömungswiderstand des Thermokanals, so dass die Luft mittels eines
Ventilators durch den Thermokanal „gedrückt“ bzw. „gezogen“ werden muß.
Eine rein natürliche Durchströmung eines
langen Thermokanals würde zum Erliegen kommen.
33
32
Außenlufttemperatur 32°C
31
30
29
28
27
26
25
24
23
0
100
200
300
400
500
600
Länge des Thermokanals in [m]
Abb. 89: Erreichbare Vorkühlung in Abhängigkeit der Thermokanallänge
(Luftvolumenstrom ca. 10.000 m³/h)
Lufttemperatur am Ende des Thermokanals in [°C]
Die mit Hilfe eines Thermokanals bzw.
Erdregisters erreichbare Vorkühlung der
Außenluft hängt im wesentlichen von der
Lauflänge bzw. der Geometrie und dem
durchströmenden Luftvolumenstrom ab
(siehe Abb. 89 und 90).
33
Außenlufttemperatur 32°C
32
31
30
29
28
27
26
25
24
23
In Abb. 96 ist abzulesen, daß die Erhö0
hung des Luftvolumenstroms trotz einer
Länge des Thermokanals von 500 m
recht schnell zu einer Reduzierung der
erreichbaren Vorkühlung führt.
Dies bedeutet, daß die für größere Gebäude mit
einem Raumvolumen von ca. 40.000 m³ erforderlichen Luftmengen von ca. 80.000 bis 100.000 m³/h
kaum über einen Thermokanal sinnvoll vorzukühlen bzw. vorzuwärmen sind, da die erforderlichen
Flächen schlichtweg nicht zur Verfügung stehen.
10000
20000
30000
durchströmender Luftstrom in [m³/h]
40000
Abb. 90: Erreichbare Vorkühlung in Abhängigkeit des Luftstromes
(Länge des Thermokanals ca. 500 m)
Bei kleineren Gebäuden kann ein Thermokanal
bzw. ein Erdregister jedoch durchaus seinen Zweck
erfüllen. Dies wäre dann der Fall, wenn auf eine
weitere Kühlung verzichtet würde. Zum Beispiel
wird ein Altenheim in Linz, Österreich, mit Hilfe
eines der größten derzeit in Betrieb befindlichen
Erdregister Europas mit vorgekühlter Zuluft versorgt, was nach Angabe des Betreibers zufriedenstellend funktioniert. Eventuell wird auch das neue
Bürgerhaus einer Gemeinde in Ostbayern ein Erdregister zur Vorkühlung der Zuluft einsetzen, da als
ökologisch motivierte Planungsvorgabe, die ihren
Ursprung in der Agenda 21 hat, der Verzicht auf
eine Kühlung des Gebäudes vorgegeben war.
95
50000
6
Erreichbare Klimaverhältnisse
In den vorangehenden Kapiteln wurde eine Vielzahl passiver Maßnahmen der Energieeinsparung
aufgezeigt. Selbstverständlich wird nicht jede Maßnahme bei jedem Bauvorhaben umgesetzt werden,
so dass es sich empfiehlt, für jedes Bauvorhaben
unter fachkundiger Beratung die am besten geeigneten Maßnahmen herauszufiltern.
Eine Frage muss in diesem Zusammenhang beantwortet werden: Welche Klimaverhältnisse lassen
sich in dem geplanten Gebäude mit Hilfe der ausgewählten passiven Maßnahmen erreichen ? Oder
anders formuliert: Reichen diese Maßnahmen aus
oder ist zusätzliche Technik erforderlich ? Die
Bedeutung dieser Fragestellung bestimmt sich aus
den außerordentlich hohen Kosten für zusätzlich zu
installierende Technik.
In diesem Zusammenhang offenbart sich eine große
Schwäche der derzeit gültigen HOAI: Für die Auswirkungen von passiven Maßnahmen wie Fassadenausbildung, Fensterlüftung, Speichermassen,
etc. auf die Temperaturen im Gebäude ist gemäß
HOAI die TGA-Planung nicht zuständig und oftmals zu fundierten Aussagen auch nicht in der
Lage. Darüber hinaus steht der TGA-Planer vor
einem Gewissenskonflikt, denn: Sein Honorar wird
anteilig an den Kosten der technischen Anlagen
(wozu die passiven Maßnahmen nicht gehören !)
berechnet, so daß sich eine Minimierung der
erforderlichen technischen Anlagen durch optimale
passive Maßnahmen in einer Minimierung seines
Honorars niederschlägt. Jeder vernünftige Mensch
wird erkennen, daß daher von Seiten der TGA-Planung nicht das allergrößte Engagement bezüglich
passiver Maßnahmen zu erwarten ist. Oftmals werden im Rahmen von Wettbewerben die passiven
Maßnahmen zu Akquisezwecken zwar hervorgehoben; nach Auftragserteilung ist im Rahmen der tatsächlichen TGA-Planung davon sehr häufig nicht
mehr viel übrig.
Aufgrund des aufgezeigten Interessenkonflikts und
des typischen Akquiseverhaltens sollte die Entwicklung eines ökologischen Klimakonzepts – oder
zumindest der passiven Komponenten – nicht in der
Hand des TGA-Planers liegen.
Die Klimaverhältnisse im Gebäude sind das Resultat einer Vielzahl komplexer und sich gegenseitig
beeinflussender Wärmetransportvorgänge, so dass
es auf der Hand liegt, dass der Architekt mit der
Beurteilung dieser komplizierten physikalischer
Vorgänge überfordert ist.
Da auch das HOAI-Leistungsbild des Bauphysikers
die Ermittlung der klimarelevanten Temperaturen
nicht beinhaltet, offenbart sich die offenkundige
Schwäche der derzeit gültigen HOAI: Letztlich ist
niemand für die Entwicklung und Beurteilung der
passiven Maßnahmen zuständig und dementsprechend wird bei vielen Bauvorhaben diesbezüglich
dilettiert.
Für einen verantwortungsbewußten Bauherrn bzw.
Bauherrnvertreter, der Wert auf Planungssicherheit
legt, empfiehlt sich daher das Einschalten entsprechender Spezialisten aus dem Bereich Bauklimatik.
Dieser zunächst mit zusätzlichen Kosten verbundene Mehraufwand bei der Planung des Bauvorhabens macht sich in der Regel durch Planungssicherheit und Einsparungen sowohl bei den Investitionsals auch bei den Betriebskosten mehrfach bezahlt.
Dieser Zusammenhang ist mittlerweile auch von
dem „Arbeitskreis Maschinen- und Elektrotechnik
staatlicher und kommunaler Verwaltungen“
(AMEV) erkannt worden. Denn der AMEV gibt in
seinen „Hinweisen zur Planung und Ausführung
von raumlufttechnischen Anlagen für öffentliche
Gebäude“ /16/ als Zielvorgabe an, auf Raumlufttechnik zu verzichten oder sie zumindest zu minimieren. Diese energiesparende und umweltschonende Zielsetzung soll durch frühzeitige und enge
Zusammenarbeit von Gebäudenutzer - Architekt –
Fachingenieur erreicht werden, wobei ausdrücklich
darauf hingewiesen wird, dass sich bei größeren
und komplexeren Bauaufgaben das Hinzuziehen
eines Bauklimatikers mit entsprechenden Computersimulationen als Entscheidungshilfe sehr gut
eignet (siehe AMEV-Hinweise /16/, Abschnitt 1.3).
Die Aufgabe des Bauklimatikers besteht generell
darin, für das jeweilige Bauvorhaben - unter Berücksichtigung der projektspezifischen Randbedingungen - die geeigneten passiven Maßnahmen
herauszufiltern, mit den Beteiligten abzustimmen
bzw. anzupassen und zu bewerten.
96
6.1
Behaglichkeit
Die Bewertung von Klimaverhältnissen in
Gebäuden wird üblicherweise mit Hilfe der
thermischen Behaglichkeit vorgenommen.
Daneben existiert jedoch eine Vielzahl von
weiteren Einflüssen auf die Behaglichkeit in
Räumen, von denen die wichtigsten im folgenden
aufgezählt sind:
• hygienische Behaglichkeit,
• akustische Behaglichkeit,
• visuelle Behaglichkeit,
• elektromagnetische Verträglichkeit,
• Einfluß von Farben,
• Einfluß von Oberflächen und Materialien,
• Vermeidung von Schad- und Geruchsstoffen.
Der Vielfältigkeit der zu berücksichtigenden Aspekte kann nur durch eine integrale Betrachtungsweise über die Grenzen der einzelnen Fachgebiete
bzw. Fachplaner hinaus Genüge geleistet werden.
Die Bewertung von Behaglichkeit stellt sich generell als äußerst schwierig dar, da es sich um eine
subjektive Empfindung handelt, die mit objektiven
Maßstäben kaum zu erfassen ist. Insofern kann es
sich bei Angaben zu „Behaglichkeitsbereichen“ von
Temperatur, Luftgeschwindigkeit, Helligkeit, etc.
immer nur um Richtwerte handeln, die von der
Mehrzahl der Menschen so empfunden werden. Es
kann jedoch nie ausgeschlossen werden, das
einzelne Personen anders empfinden.
Dennoch werden für die meßbaren Größen Temperatur, Helligkeit, Luftgeschwindigkeit etc. in den jeweiligen DIN-Normen empfohlene Bereiche angegeben.
Für nichtmeßbare Größen, z.B. eine angenehme
Farbgestaltung für visuelle Behaglichkeit, bleibt
diese Aufgabe dem Architekten - eventuell unterstützt von einem Lichtplaner - überlassen.
97
6.1.1 Thermische Behaglichkeit
Da eine im Raum anwesende Person nicht nur konvektiv im Wärmeaustausch mit der umgebenden
Raumluft steht, sondern sich auch im Strahlungsaustausch mit den sichtbaren Raumumschließungsflächen befindet (siehe Prinzipdarstellung in Abb.
97), müssen beide Wärmetransportmechanismen
Eingang in die thermische Behaglichkeit finden.
Aus diesem Grund wird zur Beurteilung der
thermischen Behaglichkeit die „empfundene
Temperatur” (auch „Raumtemperatur” oder
„operative Temperatur”) herangezogen. Diese
definiert sich näherungsweise als arithmetischer
Mittelwert aus Raumlufttemperatur und mittlerer
Strahlungstemperatur der Raumumschließungsflächen zu
T empfunden = 0,5⋅T Luft + 0,5⋅T Strahlung
Von zentraler Bedeutung ist die Festlegung, in
welchem Bereich sich die empfundene Temperatur
in Gebäuden bewegen soll. Hierzu gibt es viele
unterschiedliche Ansätze, von denen einige im
folgenden erläutert werden.
Raumtemperaturen nach ASR 6
Die für Arbeitsplätze geltende Arbeitsstättenrichtlinie ASR 6 /17/ gibt an, daß die Raumtemperatur in Arbeitsräumen +26 °C nicht überschreiten soll. Die Angabe dieses Maximalwertes
bezieht sich gemäß Anmerkung aber nicht auf
extreme Sommertage. Im allgemeinen wird daher
der Standpunkt vertreten, daß bei natürlicher
Fensterlüftung eine Temperatur von +26 °C
ohnehin nicht eingehalten werden kann und die
Richtlinie daher für natürlich gelüftete Büros nicht
von bestimmender Bedeutung sei.
98
Raumtemperaturen nach DIN 1946/2
Bei sitzender Tätigkeit und leichter Kleidung soll
bei Außenlufttemperaturen bis +26°C die empfundene Temperatur zwischen +22°C und +25°C liegen. Für Außenlufttemperaturen zwischen +26°C
und +32°C wird ein Gleiten der empfundenen Temperaturen bis zu +27°C zugelassen, wie Abb. 92 mit
dem Behaglichkeitsfeld nach DIN 1946, Teil 2 /18/
zu entnehmen ist. Darüber hinaus ist auch das
Gleiten der angestrebten Raumtemperatur mit der
Außenlufttemperatur in der Abb. 92 zu erkennen.
empfundene Temperatur in [°C]
28
27
26
zulässig bei kurzfristig auftretenden inneren Lasten
25
24
empfohlene Raumtemperatur für
thermische Behaglichkeit
23
22
zulässig bei Quelllüftung
21
20
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
Außenlufttemperatur in [°C]
Abb. 92: Kennfeld für thermische Behaglichkeit nach DIN 1946, Teil 2
99
PPD nach DIN EN ISO 7730
DIN ISO 7730 /19/ macht Angaben zur thermischen Behaglichkeit in Form eines vorausgesagten
Prozentsatzes Unzufriedener.
Für leichte Sommerkleidung wird das Minimum an
Unzufriedenen bei einer Raumtemperatur von
+25°C erreicht. Bei einer empfundenen Temperatur
von etwa +30°C liegt der Anteil der Unzufriedenen
bereits bei 50% (vgl. Abb. 93).
Schwerere Arbeitskleidung wirkt sich dahingehend
aus, daß etwas niedrigere Temperaturen als behaglich empfunden werden. Wie in Abb. 93 zu erkennen ist, liegt das Minimum an Unzufriedenheit in
diesem Fall bereits bei 23 bis 24°C empfundener
Temperatur.
Vorausgesagter Prozentsatz Unzufriedener
100
90
80
leichte Sommerbekleidung
Arbeitskleidung
70
60
50
40
30
20
10
0
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
Empfundene Temperatur in [°C]
Abb. 93: Bewertung der thermischen Behaglichkeit nach DIN ISO 7730
100
36
Aus Abb. 94 ist weiterhin zu entnehmen, dass die
zulässigen Grenzwerte auch vom Turbulenzgrad
der Luftströmung im Raum abhängen.
Neben den bereits aufgeführten Luft- und
Strahlungstemperaturen, die sich in der
empfundenen Temperatur widerspiegeln, wird die
thermische Behaglichkeit auch von der Luftfeuchte
beeinflußt. Der Mensch entwärmt sich auch durch
Wasserdampfabgabe („schwitzen“), was insbesondere in Räumen mit feuchtheißem Klima von
großer Bedeutung ist. Gemäß DIN 1946, Teil 2, soll
die relative Luftfeuchte etwa zwischen 30% und
65% liegen. Dabei ist als relative Luftfeuchte die
Menge an Wasserdampf in der Luft definiert, die
dem Anteil am maximal möglichen Wasserdampfgehalt entspricht.
Als weitere wichtige Einflußgröße auf die thermische Behaglichkeit sei abschließend die örtliche
Luftgeschwindigkeit genannt. Allgemein bekannt
ist das Phänomen zu hoher örtlicher Luftgeschwindigkeit als „Zug“, der insbesondere im Winter sehr
unangenehm sein kann. Die Grenzen der zulässigen
Luftgeschwindigkeit werden in Abhängigkeit der
Lufttemperatur angegeben (siehe Abb. 94).
Erkennbar ist, dass mit steigenden Temperaturen
höhere Luftgeschwindigkeiten akzeptiert werden.
Nach dem Volksmund wird an heißen Sommertagen die „frische Brise“ geschätzt.
0,5
0,45
5%
0,4
20%
Luftgeschwindigkeit in [m/s]
40%
0,35
0,3
0,25
0,2
0,15
0,1
0,05
0
20
21
22
23
24
25
26
27
Lufttemperatur in [°C]
Abb. 94: Zulässige Luftgeschwindigkeiten nach DIN 1946, Teil 2,
für unterschiedliche Turbulenzgrade
101
6.1.2 Visuelle Behaglichkeit
Visuelle Behaglichkeit ist gegeben, wenn der
Mensch seine visuelle Wahrnehmung (den
„Anblick“ eines Raumes) als angenehm empfindet.
Die Wahrnehmungen der Augen werden dabei an
das menschliche Gehirn geleitet und dort zu einem
Bild zusammengesetzt. Der Ablauf dieses
Prozesses sollte möglichst ungehindert und ohne
größere Anstrengungen ablaufen. Blendungen, zu
starke Kontraste, ungenügend Licht,
Farbverfälschungen, ungünstige Raumgestaltung,
usw. stören den Wahrnehmungprozess und
beeinträchtigen somit die visuelle Behaglichkeit.
Ein typisches Beispiel hierfür ist die Situation an
einem heißen, sonnigen Sommertag: Die Sonne
scheint auf die Fassade und der Sonnenschutz ist
folgerichtig geschlossen. Falls der Sonnenschutz
nicht genügend Tageslicht in den Raum durchlässt
(er soll ja möglichst viel solare Strahlung abhalten),
entsteht ein dusterer Raumeindruck, der als
unbehaglich empfunden wird. Dieses Unbehagen
wird verstärkt durch das Bewußtsein, daß außerhalb
des Gebäudes gerade die Sonne scheint. Dieses
Beispiel zeigt sehr deutlich, daß die Fixierung auf
die thermische Behaglichkeit allein zu unsinnigen
Ergebnissen führen kann.
Darüber hinaus existiert noch eine Vielzahl weiterer
Einflußparameter auf die visuelle Behaglichkeit,
welche zu nennen in ihrer Gesamtheit den Rahmen
dieses Buches sprengen würde. Detaillierte Ausführungen zu Themen wie z.B. Beleuchtungsniveau, Leuchtdichteverteilung, Reflexions- und
Glanzgrade sind in DIN 5034 /7/, in VDI 6011 /13/
oder auch im Leitfaden für die Gestaltung von
Bildschirm- und Büroarbeitsplätzen /30/ zu finden.
6.1.3 Hygienische Behaglichkeit
Im Zusammenhang mit dem bekannten „SickBuilding-Syndrom“ (SBS) spielt die hygienische
Behaglichkeit eine große Rolle.
Die Qualität der Raumluft wird neben vielen
anderen Faktoren durch die Qualität der Zuluft
(Außenluft) einerseits und durch nutzungs- und
raumbedingte Verunreinigungen andererseits
bestimmt. Als Beispiele seien hier angeführt:
• Staub,
• Gase und Dämpfe,
• Geruchsstoffe,
• Aerosole,
• Viren,
• Bakterien,
• Pilze und Pilzsporen.
Die für behagliche Raumzustände maximal
zulässigen Konzentrationen der meisten
Verunreinigungen sind in der MAK-Liste 29) der
deutschen Forschungsgemeinschaft zu finden.
Um diese Grenzwerte dauerhaft zu unterschreiten,
ist auf eine ausreichende Lüftung der Räume zu
achten.
6.1.4 Akustische Behaglichkeit
Die akustische Behaglichkeit in Räumen wird
durch
• von außen übertragene Geräusche,
• von innerhalb des Gebäudes übertragenen
Geräuschen, sowie
• von der eigenen Geräuschproduktion bzw.
der Raumantwort
beeinflusst. Hauptsächliche Geräusche von außen
stellen Verkehrsgeräusche (Straße, Bahn) dar. Im
Inneren des Gebäudes übertragene Geräusche sind
in der Regel Sprache und Musik, Gehgeräusche
sowie Geräusche aus der Wasserinstallation und
sonstigen gebäudetechnischen Anlagen. Die Raumantwort auf die eigene Geräuschproduktion hängt
im wesentlichen von der raumakustischen Ausstattung ab.
Andererseits wird die Empfindung auch von der
nutzungsabhängigen Erwartungshaltung und der
Beziehung zur Geräuschquelle beeinflusst.
Zur schalltechnischen Beurteilung von Räumen
werden messbare physikalische Größen, wie der
Schalldruckpegel, das Schalldämm-Maß, der Trittschallpegel und die Nachhallzeit benutzt. Akustisch
Behagliche Räume zeichnen sich durch
• eine Nachhallzeit, die der Nutzung entspricht,
• geeignete schalldämmende Eigenschaften
der raumbildenden Baustruktur und
• eine angepasste Geräuschabstrahlung von
internen Schallquellen (Schallleistung,
Frequenzzusammensetzung, Zeitstruktur)
aus.
Akustische Anforderungen beziehungsweise
Empfehlungen werden z.B. in der DIN 4109
„Schallschutz im Hochbau“ /20/ dargestellt. Die
aufgezeigten Werte stellen in der Regel jedoch
lediglich einen Schutz vor unzumutbaren Belästigungen dar. Im Hinblick auf akustische Behaglichkeit ist das Hinzuziehen eines Sonderfachmanns zur
Beurteilung der Maßnahmen und zur Abgrenzung
des technisch Machbaren zu empfehlen.
Die akustischen Anforderungen stehen oftmals im
Widerspruch zu thermischen Zielsetzungen. Aus
raumakustischer Sicht wird bereits für Einzelbüros
eine absorbierende Maßnahme, wie z. B. Akustiksegel im Deckenbereich oberhalb des Arbeitsplatzes empfohlen. Für die Betonkernkühlung
29)
Maximale Arbeitsplatz-Konzentration
gesundheitsgefährdender Stoffe
102
(wasserführende Rohre in der Rohbetondecke, vgl.
Abschnitt 5.1) wird dagegen eine „offene“ Decke
angestrebt, um die bestmögliche Effizienz hinsichtlich der sommerlichen Kühlung zu erreichen.
Durch die Verdeckung von Teilbereichen der
gekühlten Betondecke wird der Kühleffekt, welcher
im wesentlichen auf thermischer Strahlung basiert,
negativ beeinflusst.
Ebenso konträr ist der oftmals aus bautechnischer
Sicht angestrebte „leichte“ Innenausbau mit
Trockenbauwänden, d. h. geringen Speichermassen,
zu beurteilen.
Im Bereich der Fassadenausbildung konkurrieren
der Schallschutz gegen Außenlärm und die Möglichkeit der Lüftung der Räume über die Außenfassade. Der beste Schallschutz wird bei geschlossenen Fenstern erzielt. Für die Fensterlüftung ist in
der Regel jedoch eine möglichst große öffenbare
Fläche erforderlich (vgl. dazu Abschnitt 3.3.4).
6.1.5 Elektromagnetische Umweltverträglichkeit
Können elektromagnetische Felder gefühlt werden?
Oder können sie indirekte Wirkungen haben, die im
Zusammenhang mit Behaglichkeit stehen? Oder
können Sie ein gesundheitliches Risiko bedeuten,
was sie in gewissem Sinne natürlich auch „unbehaglich“ macht?
Zur Frage der direkten Wahrnehmung:
Elektromagnetische Felder können nicht direkt
wahrgenommen, also nicht gefühlt werden. Der
Mensch besitzt nach derzeitigem Wissen keine
Sinnesorgane zur Wahrnehmung elektrischer oder
magnetischer Felder – auch wenn einige Wissenschaftler die Wahrnehmbarkeit von Magnetfeldern
durch kleine ferromagnetische Partikel im Gehirn
des Menschen nicht ausschließen. Allerdings können elektromagnetische Felder indirekt wahrgenommen werden. Bei statischen und niederfrequenten elektrischen Feldern geschieht dies zunächst dadurch, dass die Kopf- oder Körperbehaarung sich
aufstellt bzw. in Wechselfeldern zu vibrieren beginnt, magnetische Wechselfelder können dadurch
wahrgenommen werden, dass die im Körpergewebe
induzierten Wirbelströme Nervenzellen reizen, was
dann im Falle des Sehnerves zu einer optischen
Wahrnehmung kleiner Lichtblitze führt. Bei stärkeren elektrischen wie magnetische Feldern werden
Ströme im Körper influenziert bzw. induziert, die
zu Muskelzuckungen und Muskelverkrampfungen
führen und in lebensgefährlich starken Feldern zu
Herzkammerflimmern und damit zum Tode führen
können. Magnetische Gleichfelder hingegen können nicht wahrgenommen werden, da die Wahrnehmung stets über durch Wirbelströme ausgelöste Effekte führt, und Gleichfelder keine Wirbelströme
induzieren. (Das extrem starke Magnetfeld eines
modernen Kernspintomographen ist deshalb auch
nicht spürbar, solange nicht metallische Körperim-
plantate oder ähnliches beeinflusst werden). Hochfrequente Felder können aufgrund ihrer Wärmewirkung indirekt wahrgenommen werden, die Feldenergie wird hier im Körpergewebe (wiederum aufgrund influenzierten und induzierten Körperströme)
absorbiert und führt zu einer Erwärmung des Körpergewebes, die wahrgenommen werden kann, sobald sie die auf der Haut befindlichen Temperatursensoren erreicht. Allerdings: Alle beschriebenen
Wahrnehmungen erfolgen bei sehr hohen Feldstärken, wie sie an einigen industriellen Arbeitsplätzen,
bei Hochspannungsanlagen oder unmittelbar vor einem Blitzeinschlag, aber nie in einem normalen
Wohn- oder Büroumfeld, auch nicht in zugänglichen Bereichen von Hochspannungsleitungen
oder Transformatoren auftreten.
Die Existenz einer sog. „Elektrosensibilität“, d.h.
der Wahrnehmung von Feldstärken, wie sie in normalen Wohn- oder Büroumgebungen vorkommen,
mit einer bis zu allergischen Reaktionen reichenden
Symptomatik, ist umstritten. Alle Versuche, diese
Sensibilität im Versuch nachzuweisen, sind bislang
fehlgeschlagen. Die Definition der Elektrosensiblen
als die Gruppe von Personen, deren Empfindlichkeit gegenüber Körperstromdichten deutlich geringer als der Durchschnitt ist, erscheint wenig sinnvoll, da sich diese Empfindlichkeit im Versuch als
normal verteilt herausgestellt hat und es somit
selbstredend auch eine Gruppe von Personen gibt,
die eine bestimmte induzierte Körperstromdichte
früher als der Durchschnitt der Bevölkerung
wahrnimmt.
Die einzige Wahrnehmung, die im Zusammenhang
mit elektromagnetischen Feldern in üblicher Wohnoder Büroumgebung relevant sein kann, ist die indirekte Wahrnehmung elektrostatischer Aufladungen
durch einen in der Regel kleinen, aber nichts desto
trotz oft unangenehmen Funkenüberschlag von der
aufgeladenen Person auf ein geerdetes Bauteil oder
umgekehrt. Dieses Problem verdient im Zusammenhang mit dem Thema Behaglichkeit durchaus
Beachtung. Obwohl elektrostatische Aufladungen
bei jedem Kontakt hochisolierender Materialien untereinander auftreten können, sind sie in Gebäuden
praktisch nur im Zusammenhang mit Fußbodenbelägen relevant. Hier ist aber in der Tat darauf zu
achten, dass diese eine gewisse Mindestableitfähigkeit besitzen, was in der Regel durch den Begriff
„antistatisch“ gekennzeichnet wird.
Die Frage eines gesundheitlichen Risikos bei langfristigem, d.h. viele Jahre währendem Aufenthalt in
schwachen, nicht gefühlten elektromagnetischen
Feldern ist trotz einer über 20-jährigen Forschungstätigkeit auf diesem Gebiet nicht abschließend zu
beantworten, und zwar weder für den Nieder- noch
für den Hochfrequenzbereich.
Für den Niederfrequenzbereich ist immer wieder eine Korrelation zwischen dem Aufenthalt in schwa103
chen Magnetfeldern und einem erhöhtem Krebsrisiko gefunden worden; speziell bei Kindern und im
Zusammenhang mit Leukämierkrankungen kann
diese Korrelation als nachgewiesen gelten. Der Beweis für einen ursächlichen Zusammenhang ist aber
bislang nicht gelungen, insbesondere deshalb nicht,
weil der Mechanismus der Wachstumsförderung
von Krebszellen durch Magnetfelder nach wie vor
unbekannt ist. Der Zusammenhang des Aufenthalts
in niederfrequenten Feldern mit anderen Krankheiten ist noch wenig erforscht, obwohl es auch hier
zahlreiche Vermutungen gab und gibt. Insgesamt
erscheint eine gewisse Vorsorge in diesem Bereich
angebracht zu sein, die sich darin ausdrücken könnte, eine Dauerbelastung mit stärkeren niederfrequenten Magnetfeldern zu vermeiden, z.B. Daueraufenthaltsplätze in unmittelbarer Nachbarschaft zu
leistungsstarken Transformatoren oder unter
Hochspannungsleitungen.
Für den Hochfrequenzbereich, der insbesondere
wegen dem seit einigen Jahren intensiv vorangetriebenen Aufbau von Mobilfunknetzen in der Diskussion um gesundheitliche Risiken steht, ist die Datenlage von wissenschaftlicher Seite her dürftig.
Belastbare Forschungsergebnisse, die auch nur den
Verdacht auf ein gesundheitliches Risiko stützen,
liegen für Feldstärken, wie sie beispielsweise in der
Nähe von Mobilfunksendeanlagen auftreten, nicht
vor. Die Forschungsaktivitäten konzentrieren sich
derzeit auf die wesentlich höhere Belastung durch
die Mobiltelefone selbst, aber auch hier liegen derzeit noch keine ernstzunehmenden Verdachtsmomente vor. Anzumerken bleibt, dass es keine Langzeiterfahrung mit der gesundheitlichen Relevanz
der Strahlungsintensität, wie sie von Mobiltelefonen ausgeht, gibt.
ren Fällen auch zum Leerstand ganzer Gebäudekomplexe führen kann.
6.2
Sommerlicher Wärmeschutz
Im Zusammenhang mit der Zielsetzung zur
Energieeinsparung und Kostenbegrenzung stellt
sich für jedes Bauvorhaben die zentrale Frage,
welche sommerlichen Klimaverhältnisse allein mit
den passiven Maßnahmen – die für jedes Bauvorhaben spezifisch sind - erreichbar sind. Denn je
nachdem, wie gut oder schlecht damit die
Anforderungen des Bauherrn erfüllt werden
können, sind zusätzliche Maßnahmen in Form von
aktiver Gebäudetechnik (z.B. Betonkernkühlung,
Kühldecken, mechanische Lüftung, etc.)
erforderlich oder- im besseren Fall - nicht.
Für die Bewertung der erreichbaren sommerlichen
Klimaverhältnisse wird üblicherweise die
thermische Behaglichkeit herangezogen, die
maßgeblich mit der Kenngröße der Raumtemperatur beschrieben wird (vgl. Abschnitt 6.1.1).
Elektromagnetische Felder und der Wert einer Immobilie: Trotz aller Unsicherheiten über einen Zusammenhang zwischen elektromagnetischen Feldern und einem gesundheitlichen Risiko kann der
Wert einer Immobilie durch die Einwirkung elektromagnetischer Felder reduziert sein. Der Wert
insbesondere eines Wohngebäudes mit einer Mobilfunkantenne auf dem Dach kann merklich niedriger
sein als der des gleichen Gebäudes ohne Antenne.
Ähnliches gilt, wenn sich in unmittelbarer Nachbarschaft einer Immobilie eine Hochfrequenz-Sendestation (z.B. Mobilfunk-Basisstation, Rundfunksender etc.) befindet. Die Angst vor einer gesundheitlichen Belastung kann hier zur einer sehr handfesten
Wertminderung einer Immobilie führen. Ähnliches
kann für Gebäude gelten, in denen niederfrequente
Magnetfelder wirken, weil sie sich beispielsweise
in der Nähe einer elektrifizierten Bahnstrecke oder
einer Hochspannungsleitung befinden. Abgesehen
von dem hier zu erwartenden Problem flackernder
(Kathodenstrahl-) Bildschirme, das sich durch die
Anschaffung von Flachbildschirmen lösen lässt,
bleibt nicht selten auch der Verdacht einer gesundheitlichen Beeinflussung bestehen, was in besonde104
6.2
Sommerlicher Wärmeschutz
Im Zusammenhang mit der Zielsetzung zur
Energieeinsparung und Kostenbegrenzung stellt
sich für jedes Bauvorhaben die zentrale Frage,
welche sommerlichen Klimaverhältnisse allein mit
den passiven Maßnahmen – die für jedes Bauvorhaben spezifisch sind - erreichbar sind. Denn je
nachdem, wie gut oder schlecht damit die
Anforderungen des Bauherrn erfüllt werden
können, sind zusätzliche Maßnahmen in Form von
aktiver Gebäudetechnik (z.B. Betonkernkühlung,
Kühldecken, mechanische Lüftung, etc.)
erforderlich oder- im besseren Fall - nicht.
Für die Bewertung der erreichbaren sommerlichen
Klimaverhältnisse wird üblicherweise die
thermische Behaglichkeit herangezogen, die
maßgeblich mit der Kenngröße der Raumtemperatur beschrieben wird (vgl. Abschnitt 6.1.1).
104
6.2.1 Planungsprozeß nach HOAI
Im Rahmen der Beurteilung der mit den passiven
Maßnahmen erreichbaren sommerlichen Klimaverhältnisse taucht im Planungsprozess meist die Frage
auf, wer von den Planungsbeteiligten für die Ermittlung dieser Temperaturen zuständig bzw. in der
Lage dazu ist, verläßliche Angaben darüber zu
machen.
An diesem Punkt offenbart sich die große Schwachstelle der HOAI:
Der TGA-Planer ist gemäß HOAI-Leistungsbild
nur für die technischen Anlagen zuständig. Da die
passiven Maßnahmen aber gerade keine
technischen Anlagen sind (sie dienen ja gerade
dazu, die erforderlichen technischen Maßnahmen
zu minimieren), kann der TGA-Planer im Einklang
mit der HOAI die Zuständigkeit ablehnen. Darüber
hinaus würden optimierte passive Maßnahmen sein
Honorar schmälern, so daß das geringe Engagement
der TGA-Planer im Hinblick auf passive Maßnahmen durchaus verständlich erscheint.
Der Architekt hingegen ist mit der Evaluierung der
komplexen und in Wechselwirkung miteinander
stehenden Wärmetransportvorgänge in einem
Gebäude offensichtlich überfordert.
Dem Bauphysiker obliegt gemäß HOAI-Leistungsbild im Rahmen des winterlichen und sommerlichen Wärmeschutzes nach Energieeinsparverordnung zwar die Angabe von energetischen Kenngrößen (Gesamtenergiedurchlaßgrad g und Wärmedurchgangskoeffizient u, vgl. Abschnitt 3.1.3);
gemäß HOAI ist er jedoch nicht zur Angabe bzw.
zur Ermittlung der projektspezifischen sommerlichen Klimaverhältnisse verpflichtet.
hat. Dies ist häufig auf die Trennung zwischen
Investor und Nutzer zurückzuführen. Denn der
Investor will unbedingt die Baukosten niedrig
halten und zeigt demzufolge nur sehr geringes
Interesse an den Betriebskosten. Der Nutzer
hingegen hat oftmals große Probleme mit den
hohen Betriebskosten, die aufgrund ungenügend
abgestimmter Klimakonzepte anfallen.
Diese Zusammenhänge wurden in den letzten
Jahren teilweise erkannt, so dass mittlerweile
Vertragsmodelle existieren, die den Investor auch
zum Betreiber eines Gebäudes machen. Es überrascht nur wenig, daß in diesen Fällen der Investor,
der nun auch für die Betriebskosten zuständig ist,
plötzlich ein großes Interesse an der optimalen
Nutzung der passiven Energiesparmaßnahmen
zeigt.
Diese Ausführungen zeigen, daß die Ermittlung der
sommerlichen Klimaverhältnisse, die allein mit
passiven Maßnahmen am Baukörper zu erreichen
sind, bisher in der HOAI nicht als Standardleistung
vorgesehen ist. Dies bedeutet wiederum, daß ein
verantwortungsbewußter Bauherr, der
energiesparend und damit nachhaltig
(„sustainable“) bauen möchte, zusätzliche Finanzmittel für die Einschaltung eines Bauklimatikers
aufbringen muß. Denn nur ein bauklimatischer
Experte kann der Planungsrunde auf Basis
umfangreicher Computersimulationen Angaben
darüber liefern, welche passiven Maßnahmen für
das Bauvorhaben am besten geeignet sind und
welche sommerlichen Klimaverhältnisse damit
erreicht werden können. Darüber hinaus liefert der
Bauklimatiker verläßliche Entscheidungshilfen für
den Bauherrn, ob und gegebenenfalls welche
flankierenden technischen Anlagen erforderlich
sind, um den Ansprüchen des Bauherrn Genüge
leisten zu können.
Leider zeigt die Erfahrung, daß bei vielen großen
Bauvorhaben die Begrenzung der Planungskosten
Vorrang gegenüber einer optimalen Planung unter
Einbeziehung der Potentiale des Gebäudes selbst
105
6.2.2 Planungsleistung Bauklimatik
Dem Bauklimatiker obliegt es, in Abstimmung mit
der Planungsrunde die für das Bauvorhaben
möglichen passiven Maßnahmen herauszufiltern
und im Hinblick auf deren Effizienz zu beurteilen.
Neben der notwendigen Erfahrung nutzt der Bauklimatiker hierzu als wesentliches Arbeitsmittel die
dynamische Gebäudesimulation, die das thermische
Verhalten der Räume und alle wesentlichen Energietransportvorgänge abbildet. Im Rahmen einer
Gebäudesimulation wird in der Regel zunächst ein
Modell der zu untersuchenden Räume kreiert (meist
konzentrieren sich diese Untersuchungen auf einige
wenige, repräsentative Räume, um den erforderlichen Aufwand in Grenzen zu halten), anschließend
werden einige Rechenläufe für die ausgewählten
Konzeptalternativen durchgeführt, um den Einfluß
einzelner Maßnahmen aufzeigen und hinsichtlich
ihrer Effizienz bewerten zu können. Meist konzentrieren sich die Simulationen auf die mit passiven
Maßnahmen erreichbaren sommerlichen Klimaverhältnisse bzw. es wird mit Hilfe der Simulationen aufgezeigt, welche Maßnahmen erforderlich
sind, um akzeptable sommerliche Raumtemperaturen zu erreichen.
Für die Durchführung dieser aufwendigen Computersimulationen sind heutzutage auf dem Markt eine
Vielzahl von kommerziellen Software-Paketen
erhältlich. Als Beispiele – ohne Anspruch auf Vollständigkeit – seien hier angeführt 30) :
• TRNSYS /21/
• TASS /22/
• Energy Plus /23/
• ESP-r /24/
• Apache /25/
Mit solchen Programmen lassen sich die in den
Räumen zu erwartenden sommerlichen Klimaverhältnisse mehr oder weniger aussagekräftig ermitteln. Für den Laien sind die Unterschiede der o.g.
Codes nicht nachvollziehbar, so daß häufig nach
den Simulationskosten entschieden wird, wer mit
der Durchführung beauftragt wird. Es sei an dieser
Stelle jedem potentiellen Auftraggeber eindringlich
geraten, sich auch inhaltlich – gegebenenfalls durch
das Einschalten eines fachkundigen Unbeteiligten –
mit den unterschiedlichen Leistungsbildern der Anbieter von Simulationen auseinanderzusetzen. Es
klingt zwar lapidar, aber der Auftraggeber sollte
vor Beauftragung prüfen, ob alle offenen Fragen
mit Hilfe des beauftragten Leistungsbildes ausreichend beantwortet werden können.
Die Auftragsvergabe durch bautechnisch wenig
versierten Kaufleuten mit Blick auf die Kosten ist
häufig die Ursache von Unstimmigkeiten in der
Planungsrunde, wenn unrealistische Einschätzungen bzw. überzogene Ansprüche der Auftraggeber
auf die Grenzen des verwendeten Simulationsmodells treffen, während im Alltag der Zusammenhang von Qualität und Preis durchaus bekannt und
akzeptiert ist (üblicherweise erwartet man nicht, für
den Preis eines Volkswagens einen Mercedes geliefert zu bekommen).
Die Ermittlung der sommerlichen Raumtemperaturen erfolgt sinnvollerweise sowohl für einen sehr
warmen Tag im Hochsommer wie auch für ein
ganzes Jahr.
Dabei basieren die Simulationen für den Tagesgang
auf dem sommerlichen Auslegungstag gemäß VDI
2078, welche üblicherweise zur Dimensionierung
von Kühlanlagen herangezogen wird. Darin bedeutet die Bezeichnung „ausgeprägte Schönwetterperiode“, das sich der Raum thermisch gesehen in
einem eingeschwungenen Zustand befindet.
Die Simulation der ausgeprägten Schönwetterperiode dient im Sinne einer worst-case-Betrachtung dazu, die für das jeweilige Klimakonzept in
etwa zu erwartenden maximalen sommerlichen
Raumtemperaturen zu ermitteln.
Natürlich kann niemand garantieren, daß diese
Raumtemperaturen niemals überschritten werden,
da die zugrundeliegenden meteorologischen Daten
an heißen Sommertagen auch überschritten werden
können. In der Praxis haben sich diese Maximalwerte jedoch als Orientierungshilfe recht gut bewährt. Die immer wieder auftauchende Forderung
nach vertraglichen Temperaturgarantien ist jedoch
als töricht zu bezeichnen, denn kein seriöser Auftragnehmer ist in der Lage, Garantien für die zukünftige Entwicklung unseres Wetters abzugeben.
Neben den sommerlichen Maximaltemperaturen
sollten jedoch immer auch die Häufigkeiten erhöhter sommerlicher Raumtemperaturen im Verlauf
eines ganzen Jahres betrachtet werden, um die
worst-case-Betrachtung der sommerlichen Schönwetterperiode zu relativieren. Als meteorologische
Grundlage für die Simulation eines durchschnittlichen Jahres dienen die Testreferenzjahre, welche
auf langjährigen Messwerten des Deutschen Wetterdienstes basieren.
Darüber hinaus können für den Standort des Bauvorhabens auch Messjahre vom deutschen Wetterdienst erworben werden, welche zwar nicht alle für
die Region typischen Wetterperioden, dafür aber
zuverlässigere Winddaten enthält.
Weiterhin wird seit einigen Jahren die aus der
Schweiz stammende Software METEONORM /26/
auch für Deutschland angeboten, mit der man für
bestimmte Orte meteorologische Daten für ein ganzes Jahr erzeugen kann.
30)
Ein sehr guter Überblick der aktuell angebotenen
Simulationsprogramme ist im Internet zu finden
unter www.eren.doe.gov/buildings/tools_directory
106
6.2.3 Klimakonzepte für Büros
46
44
42
40
Temperatur in [°C]
Büroräume stellen in der Regel einen hochwertigen Innenraum mit hohen Ansprüchen
an die thermische Behaglichkeit dar. Dies
erklärt sich unter anderem allein dadurch,
daß die Mieter an einer optimalen
Leistungsfähigkeit der in den Büros
arbeitenden Personen interessiert sind.
Darüber hinaus sind die Vermieter an einem
möglichst hohen Mietzins interessiert,
welcher im Einklang mit dem angebotenen
Raumklima stehen muß.
Insofern genügen die allein mit Hilfe
passiver Maßnahmen erreichbaren
sommerlichen Klimaverhältnisse häufig
nicht. Um einen ungefähren Eindruck
hiervon zu vermitteln, sind in Abb. 95 die
während einer ausgeprägten sommerlichen
Schönwetterperiode in einem exemplarisch
betrachteten durchschnittlichen Büroraum
mit hohem Fensterflächenanteil zu
erwartenden Raumtemperaturen im
Tagesgang aufgetragen.
38
36
34
32
30
28
26
24
22
20
0:00
Da die Temperaturentwicklung in Büroräumen von mehreren Parametern beeinflusst
wird (z.B. Fassadenausbildung,
Orientierung, Betriebsweise, Speichermassen, etc.) sei davor gewarnt, die
dargestellten Temperaturkurven als
allgemeingültig zu erachten. Sie können
somit nicht auf beliebige Bauvorhaben
übertragen werden, so daß die sommerlichen
Temperaturen für jedes Bauvorhaben unter
Berücksichtigung der jeweiligen Randbedingungen
projektspezifisch ermittelt werden müssen.
Den in Abb. 95 dargestellten Temperaturverläufen
ist insgesamt zu entnehmen, daß im Hinblick auf
die maximalen, sommerlichen Raumtemperaturen
unter Voraussetzung einer sinnvollen Fassadenausbildung (Wärmeschutzisolierverglasung mit außenliegendem Sonnenschutz, vgl. dazu Abschnitt 3)
folgende Einflüsse ein besonderes Gewicht haben:
•
•
•
•
Art der Lüftung (natürlich oder mechanisch),
Nachtlüftung zur Entwärmung der Speichermassen,
Kühlung der Zuluft, die je nach System eine
niedrigere oder höhere Zulufttemperatur aufweisen kann,
Intensität der mechanischen Lüftung.
Es wird deutlich, dass die Fensterlüftung auch bei
nachts geöffneten Fenstern im Hinblick auf die
maximalen sommerlichen Raumtemperaturen
Grenzen hat. Diese liegen sogar deutlich oberhalb
der Grenzwerte für thermische Behaglichkeit nach
DIN 1946-2 (vgl. Abschnitt 6.1.1). Die dargestellten Temperaturverläufe zeigen eindeutig, daß die
mit reiner Fensterlüftung zu erreichenden sommer-
2:00
4:00
6:00
8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00
Tageszeit
Außenluft
Fensterlüftung (nachts zu)
Fensterlüftung (nachts offen)
Mechanische Lüftung ohne Kühlung (LW = 2; Tzu = TAL) ohne Nachtlüftung
Mechanische Lüftung ohne Kühlung (LW = 2; Tzu = TAL) mit Nachtlüftung
Mechanische Lüftung mit Kühlung (LW = 2; Tzu = +20°C) mit Nachtlüftung
Mechanische Lüftung mit Kühlung (LW = 2; Tzu = +16°C) mit Nachtlüftung
Mechanische Lüftung mit Kühlung (LW = 2...6; Tzu = +16°C) mit Nachtlüftung
Abb. 95: Hochsommerliche Spitzentemperaturen in einem Büro
für unterschiedliche Lüftungskonzepte
lichen Klimaverhältnisse denen mit gekühlter Zuluft nicht gleichwertig sind.
Weiterhin geht aus Abb. 95 hervor, dass die Fensterlüftung einer mechanischen Lüftung ohne Kühlung der Zuluft im Hinblick auf die sommerlichen
Raumtemperaturen überlegen ist.
Neben diesen eher allgemeinen Aussagen werden
an den Temperaturverläufen von Abb. 95 typische
Effekte für die einzelnen Konzepte deutlich:
•
Fensterlüftung (nachts zu)
Die im Tagesverlauf eingespeicherte Wärme
kann nachts kaum entweichen, daher sinkt die
Raumtemperatur in der Nacht kaum ab.
•
Fensterlüftung (nachts offen)
Wenn die Fenster nachts geöffnet bleiben, wird
der Raum über natürliche Lüftung entwärmt.
Dabei setzt eine effiziente Abkühlung erst nach
Mitternacht ein, da vorher die Außenlufttemperaturen für eine effektive Entwärmung noch zu
hoch sind.
Tagsüber steigen bei Fensterlüftung die Raumtemperaturen - nahezu unabhängig von der
Nachtlüftung - mit der Außenluft rasch an.
107
•
Mechanische Lüftung ohne Kühlung
Bei einer mechanischen Lüftung ohne Kühlung
der Zuluft strömt nicht Außenluft, sondern eine
um 1 bis 2 K wärmere Luft in den Raum
hinein, denn die von außen angesaugte Luft
nimmt beim Durchströmen des Ventilators
dessen Abwärme auf und erwärmt sich dabei.
Damit weist diese Variante im Hochsommer
die ungünstigste Zulufttemperatur auf und es
ist daher nicht verwunderlich, daß bei diesem
Lüftungskonzept die höchsten Raumtemperaturen auftreten.
In Analogie zur Fensterlüftung kommt auch bei
der mechanischen Lüftung ohne Kühlung der
Nachtlüftung eine bedeutende Rolle zu, wie
dies in Abb. 95 zu erkennen ist.
•
Mechanische Lüftung mit Kühlung
Eine weitere Verbesserung der Raumtemperaturen kann durch eine auf ca. 20°C gekühlte
Zuluft erreicht werden. Denn damit läßt sich
verhindern, daß die nachmittags recht warme
Außenluft in den Raum strömt und zu einer
Erwärmung führt.
Darüber hinaus spielt auch die Art der Lüftungsanlage (Quelllüftung oder Mischlüftung)
eine Rolle im Hinblick auf die erreichbaren
sommerlichen Klimaverhältnisse. Denn die bei
Mischlüftung (oder hochinduktiven Quelllüftung) mögliche Zulufttemperatur von +16°C
bedingt eine höhere Kühlleistung und führt
somit zu etwas niedrigeren Raumtemperaturen.
•
Alle zuvor betrachteten mechanischen Lüftungsanlagen weisen im Sinne einer Technikminimierung eine relativ niedrige Lüftungsintensität (ca. 2-facher Luftwechsel) auf.
Die standardmäßige Dimensionierung der Lüftungsanlage gemäß Kühllastberechnungen nach
VDI 2078 führt im vorliegenden Fall zu der bekannten und früher oft zum Einsatz gekommen
Lösung einer mechanischen Lüftungsanlage
mit variablem Luftvolumenstrom (VVS-Anlage). Diese Anlage ist aufgrund ihres enormen
Kühlpotentials natürlich ohne weiteres in der
Lage, eine Grenztemperatur von +26°C auch
im Hochsommer einzuhalten.
Andererseits stellt diese Anlage jedoch auch
die Variante mit dem größten technischen und
finanziellen Aufwand dar, was in der jüngeren
Vergangenheit dazu geführt hat, daß häufig
alternative Lösungen gesucht und gefunden
wurden.
108
Stunden in der Betriebszeit
pro Jahr [h/a]
1200
1100
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
> 26°C
> 27°C
> 28°C
> 29°C
> 30°C
> 31°C
> 32°C
> 33°C
> 34°C
> 35°C
empfundene Temperatur in [°C]
Fensterlüftung (nachts zu)
Fensterlüftung (nachts offen)
Mechanische Lüftung ohne Kühlung (LW = 2; Tzu = TAL) ohne Nachtlüftung
Mechanische Lüftung ohne Kühlung (LW = 2; Tzu = TAL) mit Nachtlüftung
Mechanische Lüftung mit Kühlung (LW = 2; Tzu = +20°C) mit Nachtlüftung
Mechanische Lüftung mit Kühlung (LW = 2; Tzu = +16°C) mit Nachtlüftung
Mechanische Lüftung mit Kühlung (LW = 2...6; Tzu = +16°C) mit Nachtlüftung
Abb. 96: Häufigkeiten erhöhter sommerlicher Temperaturen im Büro
für unterschiedliche Lüftungskonzepte
In Abb. 96 sind die Häufigkeitsverteilungen derselben Systeme wie in Abb. 95 dargestellt, wie sie
für ein durchschnittliches Jahr zu erwarten sind.
Wie darin zu erkennen ist, schneidet die mechanische Lüftung ohne Kühlung der Zuluft – analog
zur Betrachtung der sommerlichen Schönwetterperiode – wiederum am schlechtesten ab.
Abb. 96 ist jedoch auch zu entnehmen, daß mit den
Fensterlüftungs-Varianten – insbesondere bei
nachts offen stehenden Fenstern – die sommerlichen Raumtemperaturen bis auf wenige heiße
Tage im Hochsommer recht gut begrenzt werden
können. Dies lässt sich auf die deutlich höhere
Lüftungsintensität gegenüber der mechanischen
Lüftung (ca. LW = 2) zurückführen. Mit Hilfe der
Fensterlüftung kann nämlich bei geeignetem
Öffnungsverhalten durchaus ein ca. 5 bis 10-facher
Luftwechsel erreicht werden.
Aus Abb. 96 geht weiter hervor, dass mit einer
Quelllüftung, die eine minimale Zulufttemperatur
von 20°C aufweist, zwar die Temperaturspitzen
einigermaßen gekappt werden können; im Hinblick
auf die Zieltemperatur 26°C zeigt dieses Lüftungskonzept eine enorme Überschreitungshäufigkeit.
Dies läßt sich auf die begrenzte Kühlleistung dieses
Konzepts zurückführen.
In Analogie zur sommerlichen Schönwetterperiode
zeigt sich auch im Jahresgang, daß mit Hilfe einer
als Mischlüftung konzipierten mechanischen
Lüftung mit begrenzter Lüftungsintensität (ca.
LW = 2), die in der warmen Jahreszeit nachts
durchläuft, relativ gute sommerliche Klimaverhältnisse erreichen lassen. Allerdings muß auch bei
diesem Konzept mit gelegentlichen geringfügigen
Überschreitungen der Zieltemperatur von 26°C
gerechnet werden.
Bei vollem Technikeinsatz, z.B. einer mechanischen Lüftung mit bis zu 6-fachem Luftwechsel
und +16°C Zulufttemperatur, lassen sich in
Analogie zur sommerlichen Schönwetterperiode
Überschreitungen der Auslegungstemperatur von
+26°C vermeiden.
Neben dem Potential der einzelnen Lüftungskonzepte zeigen Abb. 101 und 102 auch einen
generellen Zusammenhang: Es wird deutlich, daß
es grundsätzlich recht schwierig ist, mit luftbasierten Systemen, die eine begrenzte Lüftungsintensität
aufweisen (ca. 2-fachen Luftwechsel), die Grenzwerte für thermische Behaglichkeit gemäß DIN
1946-2 in Räumen mit hohem Verglasungsanteil
einzuhalten.
Entgegen der früher üblichen Erhöhung des Luftvolumenstroms, der unter energetischen Gesichtspunkten wenig sinnvoll und oftmals auch sehr kostenintensiv ist (aber wohl immer noch den Regelfall
darstellt), stellt heutzutage der flankierende Einsatz
von Kühlsystemen, die auf thermischer Strahlung
basieren, eine hervorragende Ergänzung der
Lüftungskonzepte dar. Denn die Strahlungskühlung
weist ganz generell den Vorteil auf, daß sie auch
noch funktioniert, wenn die Fenster geöffnet sind,
wohingegen die Kühlung mit Luft bei geöffneten
Fenstern praktisch wirkungslos bleibt. Die auf
thermischer Strahlung basierenden flankierenden
Kühlsysteme sind also gerade im Zusammenhang
mit der Fensterlüftung besonders zielführend.
109
34
33
32
31
Temperatur in [°C]
Leider wird derartigen Kühlkonzepten, die auf
thermischer Strahlung basieren, oftmals von
Seiten der TGA-Planung ein gewisser Widertand entgegengebracht. Dies läßt sich vermutlich darauf zurückführen, dass es sich bei den
strahlungsbasierten Systemen um verhältnismäßig junge und innovative Entwicklungen
handelt, die bei einigen TGA-Planern nicht
mehr Teil der Ausbildung waren. Nichtsdestoweniger sind diese Strahlungssysteme seit
einigen Jahren im Markt auf den Vormarsch.
Um auch eine ungefähre Vorstellung des Potentials von Strahlungskühlungen zu vermitteln, sind in Abb. 97 exemplarisch sommerliche Raumtemperaturen aufgetragen, wie sie
mit Hilfe solcher Strahlungssysteme in demselben Büro, welches den Temperaturen in den
Abb. 95 und 96 zugrunde liegt, erreicht werden können. Dabei wird wiederum zunächst
eine sommerliche Schönwetterperiode betrachtet.
In Abb. 97 ist zu erkennen, daß mit Hilfe der
kostengünstigen Betonkernkühlung (vgl. Abschnitt 5.1) in Verbindung mit der Fensterlüftung die sommerlichen Raumtemperaturen
recht gut (bis auf ca. 28°C) begrenzt werden
können. Falls bei Fensterlüftung jedoch unbedingt die Zieltemperatur von 26°C eingehalten
werden soll, sind hierfür leistungsstarke Kühldecken (Kühlleistung bis ca. 80 W/m²) erforderlich.
Die sommerlichen Maximaltemperaturen lassen
sich mit Hilfe der Kombination aus mechanischer
Lüftung ohne Kühlung der Zuluft und geringer Lüftungsintensität (LW = 2) und Betonkernkühlung
unterhalb der Außenlufttemperatur halten. Dennoch
stellt sich diese Variante im Hinblick auf die
sommerlichen Raumtemperaturen weniger effizient
als die Fensterlüftung mit Betonkernkühlung dar.
Erst die Kombination der mechanischen Lüftung
ohne Kühlung mit leistungsstarken Kühldecken
führt zu recht guten sommerlichen Klimaverhältnissen.
30
29
28
27
26
25
24
23
22
21
20
0:00
2:00
4:00
6:00
8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00
Tageszeit
Außenluft
Fensterlüftung mit Nachtlüftung
Fensterlüftung mit Betonkernkühlung
Fensterlüftung mit Kühldecken
Mechanische Lüftung mit Betonkernkühlung
Mechanische Lüftung mit Kühldecken
Abb. 97: Hochsommerliche Spitzentemperaturen im Büro
für unterschiedliche Kühlkonzepte
110
Stunden in der Betriebszeit
pro Jahr [h/a]
400
350
300
250
200
150
100
50
0
> 26°C
> 27°C
> 28°C
> 29°C
> 30°C
empfundene Temperatur in [°C]
Fensterlüftung mit Nachtlüftung
Fensterlüftung mit Betonkernkühlung
Fensterlüftung mit Kühldecken
Mechanische Lüftung mit Betonkernkühlung
Mechanische Lüftung mit Kühldecken
Abb. 98: Häufigkeiten erhöhter sommerlicher Raumtemperaturen im Büro
für unterschiedliche Kühlkonzepte
Ergänzend sind in Abb. 98 die Überschreitungshäufigkeiten der zuvor betrachteten Systeme
dargestellt.
Darin ist zu erkennen, daß sich in Analogie zur
sommerlichen Schönwetterperiode eigentlich zwei
grundlegende Lösungsansätze anbieten:
Als kostengünstiges low-tech-Konzept ist die
Fensterlüftung in Verbindung mit einer Betonkernkühlung zielführend und bei höheren Ansprüchen
an das sommerliche Raumklima ist das Konzept
einer mechanischen Lüftung mit Kühldecken
geeignet.
Es sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß die
Betonkernkühlung auch einige Probleme mit sich
bringt, die nicht einfach zu lösen sind:
• Oftmals sind aus Gründen der Raumakustik
abgehängte Schallabsorber notwendig, die
natürlich die kühle Raumdecke abschirmen und
so die Effizienz der Strahlungskühlung
reduzieren.
• Die Betonkernkühlung kann aufgrund der
großen Trägheit (sehr lange Reaktionszeiten)
nicht richtig geregelt werden, so daß es zu
Problemen kommen kann, wenn sehr stark
unterschiedlich belastete Räume damit gekühlt
werden sollen. Denn dies führt entweder zu
Auskühlerscheinungen in den niedrig
belasteten Räumen (und angenehmen
Temperaturen in den hochbelasteten Büros)
oder zu einer reduzierten Kühlung der
hochbelasteten Räume, die sich in erhöhten
Raumtemperaturen niederschlagen (und
angenehmen Temperaturen in den niedrig
belasteten Büros).
Sie stellt aber eine kostengünstige flankierende
Maßnahme für Gebäude dar, für die der Technikeinsatz minimiert und dennoch einigermaßen
akzeptable sommerliche Temperaturen erreicht
werden sollen.
Bei entsprechend hohen Anforderungen an die thermische Behaglichkeit stellt sich eine mechanische
Lüftung in Kombination mit Kühldecken zielführend dar.
111
Hierzu sind in Abb. 99 exemplarisch
die wesentlichen Einflüsse aufgezeigt. Zu Vergleichszwecken ist
darin die Basisvariante mit Sichtbetondecke, Wärmeschutzverglasung
mit Außensonnenschutz, gekippten
Fenstern und vollverglaster Fassade
aufgeführt. Bezüglich der Lüftung
basieren alle dargestellten Varianten
auf Fensterlüftung mit Nachtlüftung.
40
38
36
Temperatur in [°C]
Falls jedoch aus ökonomischen und
ökologischen Gründen ganz auf den
Einsatz von Technik verzichtet
werden soll, kommt den Einflüssen
der einzelnen passiven Maßnahmen
eine entscheidende Bedeutung zu.
34
32
30
28
26
24
22
20
0:00
2:00
4:00
6:00
8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00
Tageszeit
Abgehängte Decken (evtl. auch abgehängte Akustikabsorber) wirken sich
aufgrund der verminderten Speicherfähigkeit des Raumes recht negativ
auf die sommerlichen Maximaltemperaturen aus. Ähnlich ungünstig
wirkt sich auch die Substitution des
Außensonnenschutzes durch den
energetisch deutlich weniger effizienten Innensonnenschutz – trotz
Kombination mit einer Sonnenschutzverglasung – aus. Insofern
sollten diese beiden Maßnahmen in
solar belasteten und großflächig verglasten Räumen bei reiner Fensterlüftung tunlichst vermieden werden.
Demgegenüber wirkt sich eine Verkleinerung der
Glasfläche aufgrund des reduzierten solaren
Wärmeeintrags recht günstig auf die sommerlichen
Raumtemperaturen aus. Auch voll geöffnete
Fenster wirken sich günstig aus, so daß damit die
Raumtemperaturen nahezu auf Außenluftniveau
gehalten werden können. Allerdings sind nächtlich
voll geöffnete Fenster als äußerst kritisch im Hinblick auf Sicherheit und Witterungsschutz einzustufen und daher wenig praktikabel.
Außenluft
Basisvariante: WSV mit AS und gekipptes Fenster
abgehängte Decke
SSV mit Innensonnenschutz
voll geöffnete Drehflügelfenster
Brüstung (1,2 m hoch)
Abb. 99: Hochsommerliche Spitzentemperaturen im Büro Einfluss einiger passiver Maßnahmen
112
Stunden in der Betriebszeit
pro Jahr [h/a]
500
450
400
350
300
250
200
150
100
50
0
> 26°C
> 27°C
> 28°C
> 29°C
> 30°C
> 31°C
> 32°C
> 33°C
> 34°C
> 35°C
empfundene Temperatur in [°C]
Außenluft
Basisvariante: WSV mit AS und gekipptem Fenster
abgehängte Decke
SSV mit Innensonnenschutz
voll geöffnete Drehflügelfenster
Brüstung (1,2 m hoch)
Mechanische Lüftung mit Kühlung (LW = 2...6; Tzu = +16°C) mit Nachtlüftung
Abb. 100: Häufigkeiten erhöhter sommerlicher Temperaturen im Büro Einfluss einiger passiver Maßnahmen
In Abb. 100 sind die Überschreitungshäufigkeiten
der betrachteten Varianten aufgetragen.
Es wird deutlich, dass sich abgehängte Decken
sowie Sonnenschutzverglasung (SSV) mit Innensonnenschutz auch im Jahresgang ungünstig auswirken.
Bei allen restlichen Varianten zeigt sich jedoch,
dass im Verlauf eines durchschnittlichen Jahres die
sehr hohen Raumtemperaturen während einer ausgeprägten Schönwetterperiode (vgl. Abb. 99) nicht
erreicht werden. Dies ist zum einen auf die während
eines normalen Jahres nur kurzzeitig (einige, wenige sonnige Tage) auftretenden hohen Außentemperaturen zurückzuführen; zum anderen bedingen die
häufigen Wetterwechsel eine deutlich höhere dynamische Wirksamkeit der Speichermassen als in der
ausgeprägten sommerlichen Schönwetterperiode.
Trotz dieser Verbesserungen gegenüber der sommerlichen Schönwetterperiode zeigt sich auch im
Jahresgang, dass allein mit passiven Maßnahmen
die Grenztemperatur für thermische Behaglichkeit
von +26°C nicht immer eingehalten werden kann.
113
Neben den bis hier aufgezeigten Einflüssen
spielt natürlich auch die Orientierung der
Räume eine ganz wichtige Rolle.
40
Hierzu sind in Abb. 101 exemplarisch die
auf Basis der Standardvariante erwartbaren
sommerlichen Raumtemperaturen für vier
Orientierungen dargestellt.
Den kritischten Fall stellt nicht etwa das
Büro nach Süden dar, wie man zunächst
vermuten könnte. Die Büros mit östlicher
oder westlicher Orientierung weisen die
höchsten sommerlichen Raumtemperaturen
auf. Dies ist darauf zurückzuführen, daß
die Sonne mittags steil auf die Südfassade
scheint und deswegen die solare Strahlungsintensität auf der vertikalen Fassade
vergleichsweise niedrig ausfällt. Im
Gegensatz dazu steht die Sonne am Vormittag und Nachmittag flach, so daß die
auf die Ost- und Westfassaden auftreffenden Strahlungsintensitäten relativ hoch
sind. Dieser Effekt wird durch den winkelabhängigen g-Wert des außenliegenden
Lamellensonnenschutzes noch verstärkt,
welcher unter der Annahme eines konstanten Lamellenwinkels bei flacher Sonne
wesentlich mehr solare Wärme in den
Raum hinein lässt als bei steiler Sonne.
34
38
Temperatur in [°C]
36
32
30
28
26
24
22
20
0:00
2:00
4:00
6:00
8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00
Tageszeit (MEZ)
Außenluft
Büro mit Fenster nach Norden
Büro mit Fenster nach Osten
Büro mit Fenster nach Süden
Büro mit Fenster nach Westen
Abb. 101: Hochsommerliche Spitzentemperaturen im Büro
für unterschiedliche Fassadenorientierungen
Der ungünstigste Fall ist somit für ein
westlich orientiertes Büro zu erwarten, da
nachmittags auch die Außenlufttemperatur ihr
Maximum erreicht.
Wie weiterhin zu erkennen ist, steigen die Raumtemperaturen in dem nach Norden orientierten Büro
sogar höher als im Südbüro. Dieser interessante
Effekt ist darauf zurückzuführen, daß der solare
Strahlungseintrag beim Südbüro durch den geschlossenen Sonnenschutz stärker abgemindert
wird als der diffuse Strahlungseintrag vom Himmel
beim Nordbüro durch die Verglasung allein (kein
geschlossener Sonnenschutz).
114
6.2.4 Klimakonzepte für Glashallen
115
Im Gegensatz zu Büroräumen, die immer auch
Arbeitsplätze enthalten und somit einem verhältnismäßig hohen Anspruch an thermischem Komfort
unterliegen, stellt sich die Situation bei Glashallen
deutlich anders dar. Denn je nach Charakter der
Glashalle lassen sich verschiedene Nutzungsmöglichkeiten realisieren, welche unterschiedliche Anforderungen nach sich ziehen. Wegen des zentralen
Einflusses auf das Klimakonzept muss die Klärung
des Hallencharakters am Anfang des Planungsprozesses stehen.
In Abb. 102 sind exemplarisch die beiden grundsätzlich möglichen Hallenkonzeptionen mit entsprechenden Konsequenzen gegenübergestellt.
Leider zeigt die Erfahrung, daß die frühzeitige
Hallenkonzeption oftmals aus Kostengründen vermieden bzw. auf einen späteren Zeitpunkt verschoben wird, so daß von Seiten des Bauherrn häufig
eine Glashalle als hochwertiger Veranstaltungsraum erwartet wird und von Seiten des Architekten
eine Glashalle ohne jeden Komfort geplant wird.
Diese Diskrepanz führt unweigerlich zu Unstimmigkeiten, die vermieden werden sollten.
Gelegentlich wird die Nutzung einer Glashalle im
Verlauf des Planungsprozesses seitens der Bauherrnschaft von einer einfachen Verkehrsfläche
ohne jegliche thermische Anforderungen in einen
hochwertigen Veranstaltungsort mit entsprechend
hohen Klimaanforderungen umgewidmet. Der
TGA-Planer ist gut beraten, wenn er sich die
anfängliche Charakterisierung der Glashalle als
Verkehrsfläche ohne besondere Klimaanforderungen bestätigen läßt, da er ansonsten gegebenenfalls
für ein unzulängliches Klimakonzept zur Rechenschaft gezogen wird.
Diese Ausführungen zeigen, daß ein sinnvoller
Planungsablauf nur auf Basis eines ehrlichen
Umgangs aller Planungsbeteiligten miteinander
erreicht werden kann.
Süd- bzw. Nordorientierung aufweisen, erläutert
(siehe Abb. 103).
Die fiktive Glashalle mit natürlicher Lüftung weist
folgende, typische Abmessungen auf:
Eine Breite von 10 m,
eine Höhe von 15 m und
eine Länge von 40 m.
Die Seitenwände der Glashalle zu den angrenzenden Räumen zeigen ebenfalls verglaste Bereiche,
welche in dem Modell in der Mitte der Wände zusammengefasst wurden.
Das in Abschnitt 6.2.5 betrachtete angrenzende
Büro direkt unterhalb des Glasdachs ist in Abb. 103
ebenfalls zu erkennen.
Unabhängig vom gewählten Glashallentypus
empfiehlt sich immer eine im Hinblick auf die
passiven Maßnahmen optimierte Ausbildung der
Glashalle, um entweder möglichst gute Klimaverhältnisse zu erreichen oder die erforderlichen
technischen Anlagen zu minimieren.
In Bezug auf die sommerlichen Temperaturen in
einer Glashalle spielen dabei folgende Einflüsse
eine wichtige Rolle:
- Glasdach/Fassaden,
- natürliche Lüftung über öffenbare Fenster,
- Nutzung der Speichermassen mittels
Nachtlüftung.
Im folgenden werden nun die Einflüsse der einzelnen passiven Maßnahmen auf das sommerliche
Klima in einer Glashalle exemplarisch an einem
großen Innenhof mit einem vollverglasten Dach
und zwei vollverglasten Stirnfassaden, welche eine
116
Fassadenausbildung
In Abb. 104 und 105 sind die Auswirkungen
der Fassadenausbildung auf die sommerlichen
Temperaturen in der Glashalle im Tages- und
Jahresgang aufgetragen.
38
36
Temperatur in [°C]
Darin ist zu erkennen, daß der außenliegende
Sonnenschutz in Kombination mit einer normalen Wärmeschutzverglasung wie erwartet am
besten abschneidet. Dies ist auf den besten
Schutz vor solarem Wärmeeintrag zurückzuführen (vgl. dazu Abschnitt 3.3).
40
34
32
30
28
26
24
22
Etwas schlechter schneidet eine neutrale
Sonnenschutzverglasung in Kombination mit
einem innenliegenden Sonnenschutz ab, was
sich besonders in den Spitzentemperaturen
eraturen
bemerkbar macht.
20
0:00
2:00
4:00
6:00
8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00
Tageszeit (MEZ)
Außenluft
Die starke Sonnenschutzverglasung ohne
Sonnenschutz bedingt nicht nur den geringsten
Schutz gegen den solaren Wärmeeintrag und
führt so zu den höchsten Raumtemperaturen;
sie verursacht aufgrund des relativ niedrigen
Tageslichteintrags gegebenenfalls auch tageslichttechnische Probleme in angrenzenden
Büroräumen (vgl. dazu Abschnitt 3.3.4).
Wärmeschutzverglasung mit Außensonnenschutz
Sonnenschutzverglasung mit Innensonnenschutz
starke Sonnenschutzverglasung ohne Sonnenschutz
Abb. 104: Hochsommerliche empfundene Temperaturen in der
Glashalle in Abhängigkeit der Fassadenausbildung
Stunden pro Jahr [h/a]
400
350
starke Sonnenschutzverglasung ohne Sonnenschutz
300
Sonnenschutzverglasung mit Innensonnenschutz
250
Wärmeschutzverglasung mit Außensonnenschutz
200
150
100
50
0
> 26°C
> 27°C
> 28°C
> 29°C
> 30°C
> 31°C
> 32°C
Abb. 105: Häufigkeiten erhöhter sommerlicher Raumtemperaturen in der Glashalle
in Abhängigkeit der Fassadenausbildung
117
Fensterlüftung
Neben der Fassadenausbildung stellt auch die
Größe der Lüftungsöffnungen einen ganz wichtigen
Einflußfaktor dar. Denn je nachdem, welche aerodynamisch wirksame Fläche (vgl. Abschnitt 4.3)
zur Verfügung steht, ergibt sich eine mehr oder
weniger intensive Hallendurchlüftung. In Abb. 106
ist hierzu exemplarisch die Hallendurchlüftung
dargestellt, wie sie im Verlauf eines Sommertages
in Abhängigkeit der Fensterfläche (im Verhältnis
zur Hallengrundfläche) zu erwarten ist. Darin ist zu
erkennen, daß die größten Lüftungsintensität nachts
auftritt, während auch die größten Temperaturdifferenzen auftreten. Interessanterweise kann sich bei
ausreichend großen Lüftungsöffnungen die Strömungsrichtung sogar umkehren. Dies bedeutet, daß
die Luft in der Glashalle kühler als die Außenluft
ist und somit die Außenluft am Dach einströmt und
in der Glashalle abwärts strömt.
Generell ergibt sich natürlich für größere Lüftungsöffnungen auch eine intensivere Hallendurchlüftung.
Luftwechsel in [1/h]
Neben der Größe spielt auch die Lage der
Lüftungsöffnungen eine wichtige Rolle, da die
thermischen Antriebskräfte auch von der
Höhendifferenz der Zu- und Abluftöffnungen
(Fenster) abhängt (vgl. dazu Abschnitt 4.3). Die
größte Lüftungsintensität lässt sich daher durch die
größte Höhendifferenz erreichen, was zur optimalen
Lage der Fenster im Erdgeschoss (Einströmen) und
im Glasdach (Abströmen) führt.
10,0
9,0
8,0
7,0
6,0
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
-1,0
-2,0
-3,0
-4,0
-5,0
0:00
Fensterfläche 2%
Fensterfläche 3%
Fensterfläche 5%
2:00
4:00
6:00
8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00
Tageszeit (MEZ)
Abb. 106: Intensität der Fensterlüftung in der Glashalle im
Hochsommer in Abhängigkeit der Fenstergröße
118
Eine ausreichende sommerliche Entwärmung der Glashalle ergibt sich für einen
Fensterflächenanteil von 5%; dabei wird
eine optimale Lage der Lüftungsöffnungen
im Erdgeschoss und im Glasdach vorausgesetzt.
Temperatur in [°C]
Dazu sind in Abb. 107 und 108 die resultierenden Raumtemperaturen in der Glashalle
im Tages- und Jahresgang dargestellt, wie
sie sich für die zuvor betrachteten Fensterflächen (vgl. Abb. 106) ergeben.
35
34
33
32
31
30
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28
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24
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22
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20
0:00
Außenluft
Fensterfläche 2%
Fensterfläche 3%
Fensterfläche 5%
2:00
4:00
6:00
8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00
Tageszeit (MEZ)
Abb. 107: Hochsommerliche Raumtemperaturen in der Glashalle
in Abhängigkeit der Fenstergröße
200
Stunden pro Jahr [h/a]
180
160
Fensterfläche 2%
Fensterfläche 3%
Fensterfläche 5%
140
120
100
80
60
40
20
0
> 26°C
> 27°C
> 28°C
> 29°C
> 30°C
> 31°C
> 32°C
Abb. 108: Häufigkeiten erhöhter sommerlicher Raumtemperaturen in der Glashalle
in Abhängigkeit der Fenstergröße
119
Gerade in Kombination mit der
nächtlichen Fensterlüftung kommt
den Speichermassen in der Glashalle eine enorme Bedeutung zu.
In Abb. 109 und 110 sind hierzu
die korrespondierenden
Raumtemperaturen im Tages- und
Jahresgang dargestellt.
Darin wird deutlich, daß für eine
ausreichende Dämpfung der
sommerlichen Temperaturentwicklung die Speichermassen –
gerade im Hinblick auf die
Spitzentemperaturen – besonders
wichtig sind. Dabei ist zu
beachten, daß nur Speichermassen
wirksam werden können, die frei
zugänglich und nicht – z.B. durch
Akustikpaneele – abgeschirmt
sind.
Temperatur in [°C]
Speichermassen
35
34
33
32
31
30
29
28
27
26
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23
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21
20
0:00
2:00
4:00
6:00
8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00
Tageszeit (MEZ)
Außenluft
wenig Speichermasse
Manchmal empfiehlt sich auch die
viel Speichermasse
unterstützende Aktivierung der
viel Speichermasse mit Bodenkühlung
Speichermassen durch die
Fußbodenheizung, die im Sommer
mit kaltem Wasser durchströmt
Abb. 109: Hochsommerliche Raumtemperaturen in der Glashalle
wird. Denn mit dieser
bei unterschiedlichen Speichermassen
Strahlungskühlung (kühle Luft
durch Strömungszufuhr würde bei Fensterlüftung
einfach aus der Halle herausgespült) lassen sich die
sommerlichen Raumtemperaturen noch besser
begrenzen.
200
Stunden pro Jahr [h/a]
180
160
wenig Speichermasse
140
viel Speichermasse
120
viel Speichermasse mit Bodenkühlung
100
80
60
40
20
0
> 26°C
> 27°C
> 28°C
> 29°C
> 30°C
> 31°C
> 32°C
Abb. 110: Häufigkeiten erhöhter sommerlicher Raumtemperaturen in der Glashalle
in Abhängigkeit der frei zugänglichen Speichermassen
120
6.2.5 Thermische Schichtung
Generell ist in großen Glashallen mit vielen
Glasflächen bei intensiver Besonnung mit einer
111), sondern je nach Höhenlage des Raumes mehr
oder weniger hohe Lufttemperaturen.
ausgeprägten thermischen Schichtung der Lufttemperatur zu rechnen (siehe dazu Abb. 111).
Dabei wird die Intensität der thermischen
Schichtung im wesentlichen bestimmt von:
• dem solaren Wärmeeintrag über die
Glasflächen,
• der Ausbildung des Glasdachs (mit/ohne
Sonnenschutz),
• der Intensität der Hallendurchlüftung (bei
Fensterlüftung abhängig von Lage, Ausbildung
und Größe der Fenster),
• den inneren Wärmequellen durch Personen,
technische Geräte, Kunstlicht, etc.,
• der Speicherfähigkeit der Glashalle.
Falls an die Glashalle keine Büroräume angrenzen,
stellt sich die thermische Schichtung unproblematisch dar. Sie kann im Gegenteil gezielt dazu
genutzt werden, nur den Aufenthaltsbereich in der
Glashalle zu temperieren. Allerdings darf dabei
nicht übersehen werden, daß sich bei einer ausgeprägten thermischen Schichtung die innere Oberfläche des Glasdachs bzw. des Innensonnenschutzes sehr stark erwärmen kann und über thermische
Strahlung (quasi als „Heizstrahler“) zu erhöhten
Empfindungstemperaturen im Aufenthaltsbereich
führen kann.
Die Situation stellt sich jedoch gänzlich anders dar,
wenn Büros oder andere Räume an die Glashalle
angrenzen, die natürlich über öffenbare Fenster
gelüftet werden. Denn in diesem Fall zeigt die aus
der Glashalle in diese Räume einströmende Luft
nicht eine mittlere Lufttemperatur (wie sie einfache
Rechenmodelle für Glashallen aufweisen, vgl. Abb.
121
In Abb. 112 sind hierzu exemplarisch (dem
dargestellten Beispiel liegt dieselbe Glashalle wie
in Kap. 6.2.4 zugrunde) die simulierten Raumtemperaturen in einem an die Glashalle direkt unterhalb
des Glasdachs angrenzenden Büroraum aufgetragen, wobei zunächst vereinfachend mit einer mittleren Hallenlufttemperatur gerechnet wurde und
anschließend die thermische Schichtung der Hallenluft rechnerisch berücksichtigt wurde.
Temperatur in [°C]
Darin ist zunächst zu erkennen, daß die Berücksichtigung der thermischen Schichtung zu deutlich
unterschiedlichen Ergebnissen führt.
Dabei ist besonders kritisch zu bewerten, daß sich
bei dem einfachen Rechenmodell „mittlere
Lufttemperatur“ viel zu optimistische Ergebnisse
ergeben. Insofern kann vor einer derart vereinfachten rechnerischen Betrachtungsweise nur
gewarnt werden, obwohl sie aus Kostengründen
und mangels leistungsfähiger Software recht häufig
anzutreffen ist.
40
39
38
37
36
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0:00
2:00
4:00
6:00
8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00
Tageszeit (MEZ)
Außenluft
Rechenmodell mit thermischer Schichtung
Rechenmodell "mittlere Lufttemperatur"
Abb. 112: Hochsommerliche Raumtemperaturen im obersten
angrenzenden Büro für unterschiedliche Rechenmodelle
122
6.3
Winter
Aufgrund der mittlerweile sehr gut wärmedämmenden Fassaden und der enormen inneren Lasten
durch EDV-Geräte und Beleuchtung spielen die
winterlichen Klimaverhältnisse bei gewerblichen
Bauten im Hinblick auf den Energieverbrauch eine
untergeordnete Rolle (vgl. Kap 1.3 und Kap. 3.1.3).
Allerdings kommt den winterlichen Klimaverhältnissen im Hinblick auf den thermischen Komfort in
der kalten Jahreszeit durchaus eine gewichtige Rolle zu. Denn zum Einen kann die Dimensionierung
der Heizung gemäß Auslegung nach Norm zu Problemen führen und zum anderen kann die Wahl des
Heizkonzepts auch Auswirkungen auf den sommerlichen Kühlfall haben.
6.3.1 Büroräume
Für Büroräume muss insbesondere bei großflächig
verglasten Fassaden darauf geachtet werden, daß
dem direkt an der kalten Glasfassade zu erwartenden Kaltluftabfall in geeigneter Weise begegnet
wird.
Als Negativbeispiel sind hierzu in Abb. 113 exemplarisch die Strömungsverhältnisse in einem Büro
mit vollverglaster Fassade und Warmlufteinbringung via mechanischer Lüftung (LW = 2) im Fußpunkt
der Fassade dargestellt.
Darin ist gut zu erkennen, die
sich an der kalten Glasoberfläche (ca. 15°C) eine Grenzschicht bildet, die kühle Luft
nach unten fallen läßt. Diese
trifft im Bodenbereich auf die
von unten eingebrachte
Warmluft der mechanischen
Lüftung. Diese Warmluft wird
jedoch impulsarm eingebracht
und der thermische Auftrieb
reicht nicht für das Aufsteigen
aus. Infolgedessen vermischt
sich zwar die warme Luft im
Fußpunkt mit der abfallenden
Kaltluft, der Impuls der
herabströmenden Grenzschicht bleibt jedoch weitgehend erhalten, so daß der Luftstrom in den Raum
hinein umgelenkt wird und zu unangenehm hohen
Luftgeschwindigkeiten im Fußbereich nahezu im
gesamten Raum führt. Solche Rauminnenströmungen führen häufig zu Klagen über Zugerscheinungen („kalte Füße“), so daß sie mit Hilfe eines geeigneten Heizsystems vermieden werden sollten.
Generell kritisch im Hinblick auf den Kaltluftabfall
stellen sich auch alle Heizsysteme, die auf thermischer Strahlung basieren, dar. Denn es ist oftmals
fraglich, ob damit dem Kaltluftabfall an der Glasfassade in ausreichendem Maße entgegengewirkt
werden kann.
123
6.3.2 Glashallen
Im Vergleich zu Büroräumen stellt sich die
Problematik des Kaltluftabfalls in Glashallen mit
großen Glasflächen nach außen kritischer dar.
aus Kostengründen) unterlassen wird, können unangenehme Folgen für die thermische Behaglichkeit in Form von intensiven Zugerscheinungen trotz
ausreichender Heizleistung nicht ausbleiben.
In Abb. 114 sind exemplarisch die sich an den
kalten Glasflächen bildenden Grenzschichten mit
kühler Luft und die resultierenden Luftströmungen
im Innenraum prinzipiell dargestellt. Daraus geht
hervor, dass zum einen das kalte Glasdach zu
massiven Kaltluftströmen führt, die nach unten in
den Aufenthaltsbereich fallen. Zum anderen stellen
sich auch die raumhohen Glasfassaden nach außen
aufgrund der sich direkt an den kalten inneren
Oberflächen ausbildenden Kaltluftströme als recht
kritisch dar, da die abfallende Kaltluft im Fußpunkt
der Fassaden in den Raum hinein umgelenkt wird.
In Analogie zu den Büroräumen kann gerade auch
bei den Glashallen eine Auslegung gemäß DIN, die
einzig dem Ausgleich der Transmissions- und
Lüftungswärmeverluste dient, zu Ergebnissen
führen, die unbefriedigend sind. So kann z.B. eine
Fußbodenheizung die Innenraumströmung nur
begrenzt beeinflussen und somit dem Kaltluftabfall
nur bedingt entgegenwirken.
Insofern empfiehlt es sich bei der Festlegung des
Heizkonzepts von Glashallen nicht nur die
erforderliche Heizleistung zu ermitteln, sondern die
in der Glashalle in der kalten Jahreszeit für das
jeweilige Heizkonzept zu erwartende Innenraumströmung sehr genau zu analysieren. Falls dies (z.B.
124
Abb. 115 zeigt einen typischen Lösungsansatz.
Darin ist zu erkennen, daß dem Kaltluftabfall vom
Glasdach her z.B. durch die Erzeugung einer
Warmluftschicht direkt unter dem Dach
entgegengewirkt werden kann. Durch intensives
Einbringen und Absaugen von Warmluft wird die
kalte Luft am Glasdach vom restlichen Raumbereich thermisch getrennt, wodurch der
Kaltluftabfall vom Glasdach her unterbunden
werden kann.
Bei vertikalen Glasfassaden wird häufig eine
Fassadenheizung eingesetzt, um die innere
Oberflächentemperatur der Verglasungen auf
Raumtemperaturniveau zu halten und somit die
Ausbildung einer ausgeprägten Kaltluftgrenzschicht
zu verhindern.
Weitere Lösungsansätze sind z.B.:
• geschoßweise angeordnete Konvektoren an
der Glasfassade (die allerdings den
gestalterischen Anspruch der Glasfassade
oftmals negativ beeinflussen),
• Weitwurfdüsen, die intensive
Warmluftstrahlen gegen die abfallende
Kaltluft richten.
Es soll hier bei der Nennung zweier Beispiele
bleiben, da es sich dabei um zentrale Themen der
TGA-Planung handelt.
125
Abschließend sei im Hinblick auf die winterlichen
Klimaverhältnisse in einer Glashalle auf eine
weitere Gefahr hingewiesen, die häufig nicht
rechtzeitig erkannt wird:
Bei großen Glashallen, die als Einkaufspassage
(Mall) genutzt werden, sollen die Türen der
Geschäfte möglichst auch im Winter offenstehen,
um Kunden zum Einkauf einzuladen. In diesem
Fall muß die Glashalle auf dieselbe Temperatur
geheizt werden wie die Geschäfte selbst. Sind
unterhalb der Mall Tiefgaragen für die Kunden
angeordnet, stehen wegen der hohen Besucherzahl
die Türen zwischen Tiefgarage und Mall permanent
offen. Dies führt aufgrund des großen Temperaturunterschieds zur Außenluft zu einem sehr starken
thermischen Antrieb, der sich in einer ausgeprägten
Luftströmung äußert, die von außen über die
offenen TG-Türen zunächst in die Tiefgarage und
von dort über die offenen Eingangstüren in die Mall
strömt. Besonders bei einem weniger dichten
Glasdach führt dieser Kamineffekt in der Mall zu
einem massiven Kaltlufteintrag in die Mall hinein,
der sich über die offenen Eingangstüren der
Geschäfte bis in diese selbst fortsetzen und dort zu
sehr unangenehmen thermischen Verhältnissen
führen kann (die Lufttemperatur im Bodenbereich
der Kassen kann in ungünstigen Situationen bis auf
ca. 2 bis 3 °C absinken). Auch ist es in diesem Fall
unmöglich, die Glashalle selbst ausreichend zu
beheizen, da die eingebrachte Warmluft sofort nach
oben zum Glasdach steigt und dort über die
Undichtigkeiten nach außen abströmt.
Bei der Konzeption von beheizten Einkaufspassagen ist daher unbedingt auf eine ausreichende
Dichtigkeit des Innenraums zu achten, auch wenn
dies zu Einschränkungen des Kundenkomforts
führen kann.
126
7.
Wirtschaftlichkeit
Neben den erreichbaren Klimaverhältnissen ist für
eine umfassende Bewertung von Konzeptalternativen, die sich auf passive Maßnahmen konzentrieren, in jedem Fall auch der ökonomische Aspekt
von Bedeutung. Denn gerade bei den Klimakonzepten sind Ökonomie (Kosteneinsparungen) und
Ökologie (Energieeinsparungen) durchaus zu
vereinen.
Die erfolgreiche Umsetzung von innovativen,
ökologischen Konzepten setzt eine detaillierte
Ermittlung der Kosten voraus, die über den
üblichen Ansatz von Erfahrungs- bzw. Mittelwerten
der Standardverfahren weit hinaus geht.
7.1
Grundlagen
Im Rahmen eines standardmäßigen Planungsverfahrens obliegt es dem TGA-Planer, die Kosten für
die gebäudetechnischen Anlagen zu ermitteln, die
sich in Investitionskosten und Betriebskosten unterteilen.
Investitionskosten
Die Ermittlung der Investitionskosten erfolgt i.d.R.
auf Basis einer Anlagendimensionierung (z.B.
Kühllastrechnung nach VDI 2078, Wärmebedarf
gemäß DIN 4701, etc.), die Aussagen zu den maximalen Leistungen der jeweiligen Anlage liefert. Die
Größe der Anlage und damit die Investitionskosten
werden durch die Auslegungsrechnung bestimmt.
Diese bezieht sich immer auf extreme Wettersituationen, denn die Anlage muß noch funktionieren,
wenn es sehr heiß oder sehr kalt ist.
Anhand der Anlagendimensionierung kann jedoch
keine Aussage über den Energieverbrauch und die
laufenden Kosten im Betrieb abgeleitet werden, da
die gebäudetechnischen Anlagen nicht immer
maximale Leistung, sondern während der meisten
Zeit des Jahres im Teillastbereich fahren, denn auch
der Außenzustand erreicht nur selten die extremen
Auslegungssituationen (sehr kalt im Winter, z.B.
-16°C oder sehr heiß im Sommer, z.B. +32°C).
Betriebskosten
Die Ermittlung der Betriebskosten stellt sich deutlich schwieriger dar, da sich die gebäudetechnischen Anlagen während der meisten Zeit des Jahres
im Teillastbereich bewegen, sich also andauernd an
den sich verändernden Außenzustand anpassen.
Notgedrungen werden im Einklang mit den Normenwerken grobe Überschlagswerte für den
durchschnittlichen jährlichen Energieverbrauch
anstelle der tatsächlich anfallenden Teillaststunden
angesetzt (überschlägige Werte für die jährlichen
Vollaststunden in Form von Heizgradtagen, Kühlgradstunden, Lüftungsgradstunden nach DIN
4710).
Sie ergeben zusammen mit den Leistungsangaben
der Auslegungsrechnung ungefähre Energiekosten.
Eine noch gröbere Abschätzung des Jahresprimärenergiebedarfs liefert der Nachweis nach Energieeinsparverordnung (EnEV /27/). Obwohl in den
Kommentaren der EnEV ausdrücklich darauf hingewiesen wird, daß dieser Jahresprimärenergiebedarf ausschließlich dem energetischen Vergleich
von Gebäuden dient und somit nicht für Wirtschaftlichkeitsberechnungen herangezogen werden darf,
wird dieser Wert aufgrund der einfachen Verfügbarkeit dennoch oftmals als Grundlage für eine
Kostenberechnung nach VDI 2067 /28/ verwendet.
Es liegt auf der Hand, daß bei diesen recht überschlägigen Vorgehensweisen in keinster Weise auf
projektspezifische Parameter wie Betriebszeiten,
Standort bzw. Wetterbedingungen,
Fassadenorientierung, innere Wärmequellen – kurz:
Besonderheiten des jeweiligen Bauvorhabens –
detailliert eingegangen werden kann.
Aufgrund dieser recht unscharfen Vorgehensweise
bei der Betriebskostenermittlung lassen sich folglich die Betriebskosteneinsparungen, die mit Hilfe
von passiven Maßnahmen erreicht werden können,
nicht immer ausreichend genau ermitteln. Dies liegt
gelegentlich auch nicht unbedingt im Interesse des
TGA-Planers, da er durch optimierte Klimakonzepte durchaus Anteile an seinem HOAI-Honorar
verlieren kann.
Dabei stehen heute moderne und Möglichkeiten zur
relativ genauen Ermittlung der Betriebskosten in
Form von Anlagensimulationen zur Verfügung.
Computersimulationen der gebäudetechnischen
Anlagen zur Ermittlung des Energieverbrauchs
sollten auf Basis von dynamischen Gebäudesimulationen im Jahresgang durchgeführt werden, welche
für jede einzelne Stunde im Jahr die erforderliche
Menge an Wärme für die Heizung, Kälte für die
Kühlung und Luftmengen für die mechanische
Lüftungsanlage unter Berücksichtigung aller projektspezifischen Einflüsse liefern. Darauf aufbauend kann der jährliche Wärmebedarf für die Heizung und der jährliche Kältebedarf für die Kühlung
mittels einer einfachen Integration über die Zeit
berechnet werden; für die Ermittlung des jährlichen
Strombedarfs für Ventilatoren und Pumpen, des
Wärmebedarfs des Erhitzers und des Kältebedarfs
des Kühlers (und evtl. weiterer Anlagenkomponenten) der mechanischen Lüftung muß aufgrund der
sich permanent verändernden Außenluft eine Anlagensimulation durchgeführt werden, die die gesamte Luftbehandlung inklusive aller Anlagenkomponenten abbilden kann.
Auf Basis der Anlagensimulation, die den kompletten Luftbehandlungsprozeß abbildet, läßt sich für
jeden beliebigen Außenluftzustand der erforderliche
Energiebedarf für die Luftbehandlung ermitteln.
Dies wird für jede einzelne Stunde im Jahr durchgeführt und durch Integration über ein durchschnitt127
liches Jahr wird so der mittlere Energiebedarf der
mechanischen Lüftung berechnet. Dieser bildet zusammen mit dem Wärmebedarf der Heizung und
gegebenenfalls dem Kältebedarf von zusätzlichen
Kühlelementen die Basis für den jährlichen Energiebedarf des simulierten Gebäudes.
Anhand dieser Ausführung zur Ermittlung des
jährlichen Energiebedarfs sollte klar geworden sein,
daß für den Vergleich und die wirtschaftliche
Gegenüberstellung von Standardkonzepten der
TGA-Planung mit innovativen, ökologischen
Klimakonzepten unbedingt entsprechend detaillierte und zuverlässige Computersimulationen
erforderlich sind, welche man heute durchaus als
Stand der Technik ansehen kann.
Diese Vorgehensweise wird in VDI 6020, Ausgabe
Mai 2000 /29/, im Detail erläutert. Dabei umfaßt
Teil 1 der VDI 6020 die Grundlagen der thermischen energetischen Gebäudesimulation (TEG) und
Teil 2 die darauf aufbauende thermisch energetische Anlagensimulation (TEA).
Da für derartige Simulationsrechnungen im normalen Planungsablauf nach der derzeit gültigen
HOAI leider kein Honorar vorgesehen ist (diese
Leistungen gelten als frei verhandelbare Sonderleistungen), bedeuten diese Simulationen zunächst
erhöhte Planungskosten für den Bauherrn.
Betrachtet man jedoch die mit dieser Methodik
erreichbaren Einsparungen sowohl bei den
Investitions- wie auch bei den Betriebskosten, wird
sehr schnell klar, daß gerade bei größeren Bauvorhaben der Nutzen den Aufwand bei weitem
übersteigt, wie im Anschluß exemplarisch aufgezeigt wird.
Allerdings empfiehlt es sich dabei, die hierfür
erforderlichen Computersimulationen von unabhängiger Stelle, die keine wirtschaftlichen Voroder Nachteile durch die Ergebnisse hat und somit
logischerweise neutral ist, durchführen zu lassen.
128
Im Rahmen dieses Vergleiches werden auf Basis
einer bereits optimierten Fassade (einschalige
Fassade mit außenliegendem Sonnenschutz, vgl.
dazu Kap. 3) folgende Klimakonzepte
betrachtet:
•
•
•
•
Basiskonzept ohne Lüftungstechnik:
Reine Fensterlüftung mit Nachtlüftung in
der warmen Jahreszeit über offen stehende
Fenster
Klimakonzept mit minimaler Lüftungstechnik:
Mechanische Lüftung als Quelllüftung mit
geringer, konstanter Intensität (Luftwechsel
konstant LW = 2,0) und gekühlter Zuluft
(minimale Zulufttemperatur +20°C)
Klimakonzept mit minimaler Lüftungstechnik und aktivierten Speichermassen:
Mechanische Lüftung als Quelllüftung mit
geringer, konstanter Intensität (Luftwechsel
konstant LW = 2,0), gekühlter Zuluft
(minimale Zulufttemperatur +20°C) und
zusätzlich Betonkernkühlung (vgl. Kap. 5)
Klimakonzept mit standardmäßiger (maximaler) Lüftungstechnik:
Mechanische Lüftung als Mischlüftung mit
hoher Lüftungsintensität (Luftwechsel
variabel LW = 2,0...6,0) und gekühlter
Zuluft (minimale Zulufttemperatur +16°C)
Hierzu sind in Abb. 115 zunächst die mit dem
jeweiligen Klimakonzept erreichbaren sommerlichen Temperaturverhältnisse aufgetragen.
Darin ist zu erkennen, daß bei der reinen Fensterlüftung zwar die höchsten sommerlichen Raumtemperaturen zu erwarten sind. Allerdings treten
diese während ausgeprägter Schönwetterperioden
zu erwartenden Maximaltemperaturen nur selten im
Verlauf eines durchschnittlichen Jahres in der Bundesrepublik Deutschland auf.
Das Klimakonzept mit minimaler Lüftungstechnik
weist aufgrund der gekühlten Zuluft zwar etwas
niedrigere maximale Raumtemperaturen innerhalb
der Schönwetterperiode auf; im Verlauf eines
durchschnittlichen Jahres schneidet dieses Konzept
jedoch schlechter als die Fensterlüftung ab, da im
Jahresgang häufig Situationen auftreten, in denen
durch eine gute Fensterlüftung bei moderaten
Außentemperaturen eine bessere Kühlung der
34
33
32
31
30
29
28
27
26
25
24
23
22
21
20
0:00
2:00
4:00
6:00
8:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 0:00
Tageszeit
Außenluft
Fensterlüftung
Quellüftung (LW = 2; Tzu = +20°C)
Quellüftung (LW = 2; Tzu = +20°C) mit Betonkernkühlung
Mischlüftung (LW = 2...6; Tzu = +16°C)
200
180
Stunden pro Jahr [h/a]
Im folgenden wird exemplarisch der Zusammenhang zwischen unterschiedlichen Klimakonzepten und den resultierenden Kosten für
Büroräume mit einem hohem Verglasungsanteil
aufgezeigt.
Temperatur in [°C]
7.2
Klimakonzepte für Büros Beispiel
160
140
120
100
80
60
40
20
0
> 25°C
> 26°C
> 27°C
> 28°C
> 29°C
> 30°C
Abb. 116: Erreichbare sommerliche Klimaverhältnisse in
Abhängigkeit vom Klimakonzept
Räume erreicht werden kann als mit der eher geringen Lüftungsintensität von LW = 2,0.
Eine deutliche Verbesserung der erwartbaren sommerlichen Klimaverhältnisse sowohl im Hinblick
auf die sommerlichen Maximaltemperaturen wie
auch bezüglich der Häufigkeit erhöhter sommerlicher Raumtemperaturen kann durch die Aktivierung der Speichermassen mittels Betonkernkühlung
erreicht werden.
Die standardmäßig ausgelegte Lüftungsanlage ist
natürlich in der Lage, ganzjährig die Raumtemperatur auf die Auslegungstemperatur von +26°C zu
begrenzen.
129
In Abb. 117 sind die für diese vier Klimakonzepte jeweils zu erwartenden
jährlichen Betriebskosten TGA aufgeführt.
Darin ist zu erkennen, daß das Konzept
ohne mechanische Lüftung (Fensterlüftung), die einzig die Heizung benötigt,
die niedrigsten Betriebskosten aufweist.
Das Konzept mit minimaler Lüftung
weist gegenüber dem Standardkonzept
immerhin eine Betriebskosteneinsparung von ca. 70% auf. Aufgrund des
zusätzlichen Aufwandes für die Kühlung der Rohbetondecke weist das
Konzept mit Quelllüftung und Betonkernkühlung deutlich höhere Betriebskosten auf, da Kälte eine hochwertige
und damit teure Energie darstellt.
Allerdings liegt dieser Betrachtung
eine Betonkernkühlung zugrunde,
die im 24h-Dauerbetrieb gefahren
wird und diesbezüglich eventuell
noch optimierbar ist (z.B. dadurch,
daß die Betondecke nur nachts mit
kaltem Wasser durchspült wird,
also einer Zeit, wo die Kälte der
Lüftungsanlage nicht genutzt
wird).
Die auf einer Einzelraumregelung
basierenden Betriebskosten der
Mischlüftung mit variablem
Volumenstrom können hingegen
nicht weiter reduziert werden.
100%
90%
80%
70%
60%
Instandhaltung
Wartung
Energie
50%
40%
30%
20%
10%
0%
Fensterlüftung
Quellüftung (CVS)
Quellüftung (CVS) mit
Betonkernkühlung
Mischlüftung (VVS)
Abb. 117: Jährliche Betriebskosten TGA in Abhängigkeit des Klimakonzepts
100%
90%
80%
70%
Betonkernkühlung
Lüftungsanlage
Heizung
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
In Abb. 118 sind nun die für das
Fensterlüftung
Quellüftung (CVS)
Quellüftung (CVS) mit
Mischlüftung (VVS)
Betonkernkühlung
jeweilige Klimakonzept erforderlichen Investitionskosten der kliAbb. 118: Investitionskosten TGA für unterschiedliche Klimakonzepte
marelevanten technischen Gebäudeausrüstung dargestellt.
Einsparungen bei den Investitionskosten geDarin ist zu erkennen, daß die Investitionskosten
genüber einer standardmäßigen Lüftungsanfür die Fensterlüftung in Analogie zu den Betriebslage. Im Hinblick auf die thermische Behagkosten natürlich das Minimum darstellen. Das Konlichkeit im Sommer sind damit jedoch erhebzept mit minimaler Lüftung hingegen weist demgeliche Einschränkungen verbunden. Denn zum
genüber nahezu die doppelten Investitionskosten
einen liegen die sommerlichen Maximaltempeauf.
raturen deutlich oberhalb des BehaglichkeitsIn Abb. 118 wird der große Vorteil der Betonkernfeldes nach DIN 1946-2 und zum anderen
kühlung deutlich: Die erforderlichen Investitionsmuß recht häufig mit erhöhten sommerlichen
kosten liegen aufgrund der Einsparmöglichkeiten
Raumtemperaturen gerechnet werden.
bei der Heizung (eine Grundheizung kann durch die
Rohre in der Rohbetondecke erreicht werden, so
Eine Optimierung ohne großen zusätzlichen
daß die einzelnen Heizkörper in den Räumen deuttechnischen Aufwand kann bei diesem Konzept
lich kleiner ausfallen können) nur geringfügig über
erreicht werden, indem die mechanische Lüfden Investitionskosten der Minimallüftung.
tung mit einer Fensterlüftung kombiniert wird.
Eine standardmäßige Lüftungsanlage hingegen
Dies bringt zwar keine Vorteile im Hinblick
bedeutet ca. 3 mal so hohe Investitionskosten.
auf die sommerlichen Maximaltemperaturen,
die Häufigkeit erhöhter sommerlicher RaumDieser Vergleich der 4 Lüftungskonzepte verdeuttemperaturen kann damit jedoch deutlich gelicht folgende Zusammenhänge:
senkt werden.
• Die Vorsehung einer minimalen LüftungsanEs sei an dieser Stelle in aller Deutlichkeit
lage mit Kühlung ermöglicht zwar deutliche
130
darauf hingewiesen, daß bei diesem unter rein
finanziellen Aspekten optimierten Konzept
deutlichen Einbußen bei der thermischen Behaglichkeit im Sommer akzeptiert werden müssen. Insofern kann dieses Konzept nur als
Minimalkonzept eingestuft werden und Büroräume mit diesem Konzept sind damit kaum als
hochwertig einzustufen, für die entsprechend
hohe Mieten verlangt werden können.
•
Wie in Abb. 116 sehr gut zu erkennen ist, sind
für höhere Ansprüche an die thermische Behaglichkeit im Sommer bei Büroräumen mit
hohem Verglasungsanteil höhere Kühlleistungen erforderlich, als sie durch reine Fensterlüftung oder Minimallüftung erreicht werden
können.
Dieser Zusammenhang zwischen technischem
Aufwand und erreichbarem thermischen
Komfort ist eigentlich leicht verständlich, wird
im Rahmen der heute unter enormen Konkurrenz- und Kostendruck stehenden TGA-Planer
nicht immer so deutlich aufgezeigt. Manchmal
wird dieser Zusammenhang seitens der TGAPlanung sogar schlichtweg negiert. Dennoch ist
diese Strategie nur als kurzsichtig zu bezeichnen, denn die grundlegende Physik läßt sich
nicht verbiegen, so dass die unvermeidlichen
Probleme im Rahmen der fortschreitenden
Planung in Form von Kostenerhöhungen bzw.
spätestens während des Betriebs des Gebäudes
in Form von Beschwerden auftreten.
Ein gehöriger Anteil an dieser unguten Situation ist jedoch auch der Bauherrenschaft bzw.
der Projektsteuerung zuzuschreiben, da die
Auftragsvergabe immer mehr von Kostenaspekten dominiert wird und die Qualität immer
mehr in den Hintergrund gedrängt wird.
Kombination einer Minimallüftung mit dem
innovativen System Betonkernkühlung dar.
Wie in Abb. 116 zu erkennen ist, lassen sich
damit die sommerlichen Raumtemperaturen
begrenzen, außerdem weist dieses Konzept
auch recht günstige Investitions- und Betriebskosten auf (siehe Abb. 117 und 118).
Allerdings lassen sich damit die Grenzwerte
für thermische Behaglichkeit - besonders
während länger andauernder Schönwetterperioden - nicht immer ganz einhalten. In den letzten Jahren ist dieses System in einer Vielzahl
von Bauvorhaben zur Anwendung gekommen.
•
Falls seitens des Bauherrn die MaximalForderung vorliegt, daß die sommerlichen
Raumtemperaturen ganzjährig und auch
während ausgeprägter Schönwetterperioden
eingehalten werden sollen, sind anstelle der
kostengünstigen Betonkernkühlung Kühlelemente mit einer höheren Kühlleistung
(Kühldecken) erforderlich, die natürlich mit
einer deutlichen Erhöhung der Investitionskosten verbunden sind.
Den aufgezeigten Problemen bzw. Interessenskonflikten kann eigentlich nur dadurch entgangen werden, indem derartige Konzeptvergleiche und –bewertungen von einer unabhängigen
Stelle vorgenommen wird, der durch das Aufzeigen der wahren Verhältnisse und Zusammenhänge keine wirtschaftlichen Nachteile
(z.B. Nichtbeauftragung der TGA-Planung)
entstehen können.
•
Falls erhöhte Anforderungen an die thermische
Behaglichkeit im Sommer vorliegen, wie dies
für moderne Büroräume oftmals der Fall ist,
können diese durch eine standardmäßige Auslegung der Lüftungsanlage ohne weiteres erfüllt werden. Allerdings muß in diesem Fall
mit recht hohen Investitions- und Betriebskosten gerechnet werden.
•
Einen sehr guten Kompromiss zwischen
finanziellem Aufwand und erreichbaren
sommerlichen Klimaverhältnissen stellt die
131
7.3
Fassadenvergleich
Da gegenwärtig bei vielen Bauvorhaben die Diskussion über die Vor- und Nachteile einer doppelschaligen Fassade gegenüber einer einschaligen
Fassade aufflammt, wird im folgenden exemplarisch der Zusammenhang zwischen diesen beiden
Fassadenvarianten und den resultierenden Kosten
für Büroräume aufgezeigt.
Für einen vernünftigen Kostenvergleich muß zunächst der Zusammenhang zwischen Fassade und
dem erforderlichen TGA-Konzept beleuchtet werden, um die adäquate Ausgangsbasis für beide Fassadenvarianten zu finden. Dabei ist die Zielsetzung,
daß mit beiden Varianten in etwa derselbe thermische Komfort erreicht werden kann.
•
•
Lüftung
Obwohl beide Varianten öffenbare Fenster aufweisen, müssen beide Varianten mit einer mechanischen Lüftung ausgestattet sein, um in
Zeiten, in denen Fensterlüftung ungünstig oder
sogar unmöglich ist (z.B. Sturm, Hagel, sehr
kalt, extrem heiß, etc.), dennoch eine ausreichende Frischluftversorgung zu gewährleisten.
werden kann (vgl. Kap. 3.1), führt dies zu
erheblich höherem Kühlaufwand in den
Räumen.
•
Heizung
Die doppelschalige Fassade weist gegenüber
der einschaligen Fassade den Vorteil auf, daß
in der kalten Jahreszeit zum einen durch die
Außenschale ein erhöhter Schutz gegen den
Transmissionswärmeverlust vorhanden ist und
zum anderen die Luft im
Fassadenzwischenraum durch solare Energiegewinne aufgeheizt wird. Letzteres wirkt sich
insbesonders bei Fensterlüftung (es strömt
nicht die kalte Außenluft, sondern die im Fassadenzwischenraum vorgewärmte Luft in den
Raum hinein) recht günstig auf den Heizwärmebedarf aus.
Anhand obiger Ausführungen wird deutlich, daß
die doppelschalige Fassade aus mehreren Gründen
niedrigere Energiekosten als eine einschalige Fassade mit Innensonnenschutz aufweist (vgl. Abb. 119).
Allerdings weist die doppelschalige Fassade aufgrund der zusätzlichen Außenschale gegenüber der
einschaligen Fassade einen deutlich höheren Aufwand für die Reinigung bzw. Wartung auf, was sich
natürlich in entsprechend höheren Kosten für Wartung und Instandhaltung niederschlägt.
Kühlung
Die doppelschalige Fassade bietet die Möglichkeit, den Sonnenschutz witterungsgeschützt im
Zwischenraum der beiden Fassadenschalen anzuordnen. Damit erreicht sie eine SonnenDie bei den Gesamtkosten zu berücksichtigenden
schutzqualität, die nahezu einem AußensonKapitalkosten fallen natürlich bei der doppelschalinenschutz entspricht (vgl. Kap. 3.3.4). Der
gen Fassade ebenfalls deutlich höher aus, welche
Aufwand für die Kühlung der Räume kann
im wesentlichen auf die erhöhten Investitionskosten
somit minimiert werden.
für die zusätzliche Außenschale zurückzuführen
Bei der einschaligen Fassade kann oftmals –
sind.
insbesonders bei
hohen Gebäuden
mit entsprechend heftigem
Kapitalkosten
Wartung und Instandhaltung
Energie
Windangriff –
der Sonnen100%
schutz nicht
90%
außen angeord80%
net werden (was
natürlich das
70%
energetische
60%
Optimum
50%
darstellt, vgl.
Kap. 3.2), so
40%
daß er als innen30%
liegender
20%
Sonnenschutz
10%
ausgebildet ist.
Aufgrund der
0%
deutlich
einschalige Fassade
doppelschalige Fassade mit
mit Innensonnenschutz
integriertem Sonnenschutz
geringeren
SonnenschutzAbb. 119: Jährliche Gesamtkosten in Abhängigkeit des Fassadenkonzepts
wirkung, die mit
einem Innensonnenschutz erzielt
132
In Abb. 119 sind hierzu die jährlichen Gesamtkosten für die beiden Fassadenvarianten gegenübergestellt. Es zeigt sich, daß für die doppelschalige Fassade trotz niedrigerer Energiekosten
insgesamt etwas höhere Gesamtkosten anfallen als
für die einschalige Fassade.
Neben den jährlichen Gesamtkosten sind auch die
Investitionskosten von sehr großer Bedeutung. In
Abb. 120 sind daher für die beiden Fassadendenvarianten die jeweils erforderlichen Investitionskosten gegenübergestellt.
näherungsweise gleichwertig bezeichnen, so daß
die Entscheidung für oder gegen eine doppelschalige Fassade unter anderen Gesichtspunkten
(z.B. gestalterische Aspekte) gefällt werden sollte.
Es sei allerdings darauf hingewiesen, daß der o.g.
Sachverhalt nicht mehr für eine einschalige Fassade
mit Außensonnenschutz gilt. Denn die einschalige
Fassade mit Außensonnenschutz ist der doppelschaligen Fassade sowohl ökonomisch wie auch energetisch bzw. ökologisch deutlich überlegen.
Wie darin zu erkennen ist, weist die doppelschalige
Fassade zwar erheblich höhere Investitionskosten
auf; dies wird zu einem großen Anteil durch die
höheren Investitionskosten für die technischen Anlagen bei der einschaligen Fassade jedoch wieder
ausgeglichen.
Der wirtschaftliche Vergleich zwischen einer
einschaligen Fassade mit Innensonnenschutz und
einer doppelschaligen Fassade mit integriertem
Sonnenschutz führt zu dem Ergebnis, daß diese
beiden Fassadenvarianten bei annähernd gleichem
thermischen Komfort auch kostenmäßig sehr nahe
beeinander liegen und sich nur geringe Kostenvorteile für die einschalige Fassade mit Innensonnenschutz ergeben. Wirtschaftlich betrachtet
kann man diese beiden Fassadenvarianten als
Fassade
Technik
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
einschalige Fassade
mit Innensonnenschutz
doppelschalige Fassade mit
integriertem Sonnenschutz
Abb. 120: Investitionskosten in Abhängigkeit des Fassadenkonzepts
133
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Independence Avenue, SW, Washington, DC 20585-0121, USA
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Systems Research Unit, James Weir Building, 75 Montrose Street, Glasgow G1 1XJ, United Kingdom
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Blatt 1 – Gebäudesimulation
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Schriftenreihe Prävention der Verwaltungs-Berufsgenossenschaft, Ausgabe SP 2.1 (BGI 650)