Sommerlicher Wärmeschutz
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Peter Deutscher, Martin Elsberqer und Lothar Rouvel Sommerlicher Wärmeschutz Eine einheitliche Methodik für die Anforderungen an den winterlichen und sommerlichen Wärmeschutz, Teil 1 Die energetische Beurteilung von Gebäuden ist in der Vergangenhe it vom Zielkriterium eines möglichst geringen Heizwärmebedarfs und damit einer Gebäudebetrachtung rein während der Heizperiode geprägt worden. Zur energetischen Gesamtoptimierung sowohl bestehender als auch neu zu errichtender Gebäude ist künftig als weiterer Schritt - insbesondere für Nichtwohngebäude - eine Betrachtung des sommerlichen Gebäudeverhaltens erforderlich. Ziel ist es, durch bauliche Maßnahmen die Notwendigkeit zur Gebäudekühlung - und somit den Einsatz raumlufttechnischer Anlagen - in unseren Breitengraden bei üblicher Gebäudenutzung zu vermeiden und zugleich den Behaglichkeitsanforderungen der Gebäudenutzer während der Sommermonate Rechnung zu tragen . Die in dieser Veröffentlichung vorgestellten Berechnungsbzw. Nachweisverfahren können hierzu einen Beit rag leisten und sollen in die künftige Energieeinsparverordnung einfließen. Sie werden aus diesem Grund bereits in die Neufassung der DIN 4108 (Wärmeschutz und Energieeinsparung im Hochbau, Teil 2 und Teil 9) eingearbeitet, auf die die Energieeinsparverordnung hinsichtlich anzuwendender Berechnungsverfahren künftig verweisen wird . A consistent method for the specification of summer indoor temperatures requlations and thermal insulation of buildinqs, Part 1. In the past estimation the energy consumption in buildings aimed to reduce the heating energy requirement as sma// as possible. Therefore the major aspect of energy consumption was the view an the heating period. The optimization of energy consumption of existing and new buildings requires also as a further step - especially in non residential buildings - the consideration of thermal performance under summer conditions. This suits the purpose of avoiding overheating in summer as weil as of limiting the energy cooling requirements to a minimum. The introduced procedures and evaluation methods help to discribe the thermal behavior of rooms during summer period. The new formulation of DIN 4108 (,,Thermal lnsulation and 114 Prof. Dr.-lng. habil. Lothar Rouvel, Dipl.-Ing. Peter Deutscher, Dipl.Ing. Martin Elsberger, Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik der Technischen Universität München, Arcisstraße 21, 80333 München. Lothar Rouvel - 1965 Diplom-Ingenieur der Elektrotechnik, Studienrichtung Starkstromtechnik an der Technischen Hochschule Kassel, anschließend wissenschaftlicher Mitarbeiter bei der Forschungsstelle für Energiewirtschaft in Karlsruhe, 1972 Promotion an der Technischen Universität München, 1978 Habilitation auf dem Fachgebiet Energietechnik und -versorgung, seit 1980 Professor an der Technischen Universität München. Peter Deutscher - 1996 Diplom-Ingenieur der Elektrotechnik und Informationstechnik, Studienrichtung Energietechnik an der Technischen Universität München, seit 1998 wissenschaftlicher Mitarbeiter des Fachgebiets Energietechnik und -versorgung der Techni schen Universität München. Martin Elsberger - 1995 Diplom-Ingenieur des Maschinenwesens, Studienrichtung Produktionstechnik an der Technischen Universität München, seit 1995 wissenschaftlicher Mitarbeiter des Fachgebiets Energietechnik und -versorgung der Technischen Universität München. © Ernst & Sohn• Bauphysik 22 (2000 ), Heft 2 Energy Economy in Buildings") - Part 2 and 9 - already includes these evalution methods. They sha// also be contained in the future „Energy Saving-Regulation ". Einleitung Diese Veröffentlichung er scheint in zwei Teilen . Im Teil 1 wird eine kurze Übersicht der zwei Berechnungsverfahren gegeben und anschließend das vereinfachte Berechnungsverfahren sowie die Methodik anhand eines Beispieles erläutert. Im Teil 2 [1] wird das differenzierte Berechnungsverfahren mit Beisp ielen näher beschrieben. In der Wärmeschutzverordnung 1995 wird unabhängig vom Errichtungsort, von der Gebäudenutzung und der Bauschwere eines Gebäudes pauschal festgelegt, daß bei Gebäuden mit raumlufttechnischen Anlagen mit Kühlung und/oder bei Gebäuden mit einem fassadenweisen Fensterflächenanteil 2'. 50 % das Produkt aus Fensterflächenanteil f, Gesamtenergiedurchlaßgrad g der Verglasung und Abminderungsfaktor z des Sonnenschutzes den Wert von 0,25 nicht überschreiten darf: f. g. z ~ 0,25 Detaillierte Gebäudeberechnungen zeigen jedoch erwartungsgemäß: • , die Häufigkeit unbehaglich hoher Raumtemperaturen streut bei gleicher Gebäudeausführung stark aufgrund der in Deutschland breit variierenden sommerlichen Außenklima verhältnisse (z.B. Vergleich Küstenregion/Mittelgebirgslagen - Oberrheingraben) • bereits bei deutlich geringeren fassadenweisen Fensterflächenanteilen als den in der Wärmeschutzverordnung 1995 angesetzten 50 % können Übertemperaturen in unerwünscht hohem Maß vorliegen • die Häufigkeit auftretender Übertemperaturen wird von der Gebäudenutzung - den vorliegenden Innen lasten und der Art bzw. dem Umfang der Gebäudebelüftung - und der Gebäudeausführung (Bauschwere) wesentlich beeinflußt. Die hier vorgestellten Berechnungs- und Nachweisverfahren, die im Rahmen einer künftigen Energieeinsparverordnung zum Einsatz kommen sollen, haben folglich die Aufgabe, trotz einer verhältnismäßig einfachen Berechnungsmethodik alle wesentlichen Einflußgrößen bezüglich des sommerlichen Raumklimas zu berücksichtigen . Es werden ein differenziertes und ein vereinfachtes Berechnungsverfahren für das sommerliche Gebäudeverhalten bereitgestellt sowie Grenzkriterien für den sommerlichen Wärmeschutz ermittelt, die bereits in der Vorplanungsphase eines Gebäudes Anwendung finden können. Wesentlicher Punkt ist dabei die regionale Differenzierung des sommerlichen Wärmeschutzes. Bauphysik - Grundlagen 2 2.1 2.2 Berechnungsverfahren Differenziertes Nachweisverfahren für den sommerlichen Wärmeschutz Grundlage der „Energieeinsparverordnung 2000" wird künftig eine energetische Gebäudebilanzierung für die Heizperiode nach dem Monatsbilanzierungsverfahren der DIN EN 832 [2] bzw. DIN EN ISO 13790 [3] sein. Basierend auf diesem Bilanzierungsverfahren, das für die Heizenergiebedarfsermittlung während der Heizperiode entwickelt wurde, ist es gelungen, einen Algorithmus zu erstellen, der Aussagen zum Gebäudeverhalten unter sommerlichen Randbedingungen zuläßt. Da der hierzu hergeleitete Berechnungsweg eine konsistente Weiterentwicklung der DIN EN 832 darstellt, werden für dieses „ sommerliche" Verfahren nur Eingangsdaten benötigt, die für die nach der Energieeinsparverordnung durchzuführende Heizenergiebedarfsberechnung ohnehin vorliegen müssen . In der DIN EN 832 wird für die Heizenergiebedarfsberechnung monatsweise ermittelt, welcher Anteil 11 der externen und in ternen Wärmegewinne QG eines Gebäudes einen Beitrag zur Verminderung des Heizwärmebedarfs leistet. Der verbleibende Anteil (1-11 > · QG der Wärmegewinne kann nicht zu Heizzwecken genutzt werden und führt zu Überschußwärme im Gebäude. Mittels Normierung der nicht nutzbaren Wärmeeinträge wird ein Kennwert, die „normierten nicht nutzbaren Wärmeeinträge QN N" gebildet, der ein Maß für die Übertemperaturgradstunden und zugleich ein Maß für die Häufigkeit der Überschreitung einer Raumgrenztemperatur ist. Dies wird in umfangreichen Auswertungen mittels eines dynamischen Gebäudesimulationsprogramms („GEBSIMU", [4], [5], [6]) aufgezeigt. Detaillierte Ergebnisse der breiten Parametervariation sind in [7], [8], [9] und [10] enthalten. Eine in der künftigen Energieeinspa rverordnung festgelegte Begrenzung der normierten nicht nutzbaren Wärmeeinträge QNN auf einen standortabhängigen Grenzwert QNN,ma x Q N '.':: Q NN.max (1) kann somit zur Begrenzung der Häufigkeit unbehaglicher Raumtemperaturen in einem Gebäude führen. Hierdurch kann dafür Sorge getragen werden, daß Gebäude bei üblicher Nutzung (d . h. durchschnittliche interne Wärmelasten, kein produktionsbedingter Kühlungsbedarf) in unseren Breitengraden i. a. ohne mechanische Kühlung auskommen können, ohne daß dabei unbehagliche Überheizungen auftreten . Wie im Verfahren der DIN EN 832 zur Bestimmung des Heizenergiebedarfs hat auch das „sommerliche" Verfahren (z.B. gegenüber der bisherigen Wärmeschutzverordnung) den Vorteil, daß alle wesentl ichen individuellen Randbedingungen eines geplanten Gebäudes bei Ermittlung der QNN-Werte direkt in die Berechnung eingehen : • die Bauschwere des Gebäudes bzw. die wirksame Wärmespeicherkapazität, die bei Betrachtung des sommerlichen Gebäudeverhaltens einen wesentlichen Einfluß auf das Ergebnis hat • die Ausführung der Außenfassade, insbesondere des Fensterflächenanteils, der verwendeten Verglasungsart und des eingesetzten Sonnenschutzes • die vorherrschenden Innenlasten und • der Umfang des natürlichen Lüftens für das Gebäude. Der Gebäudeplaner hat folglich entsprechend umfassende Eingriffsmöglichkeiten, einen Gebäudeentwurf im Sinne eines einzuhaltenden sommerlichen Wärmeschutzniveaus zu variieren. Dieses Verfahren wird im Teil 2 [1] näher erläutert. Vereinfachtes Nachweisverfahren für den sommerlichen Wärmeschutz Neben dem auf der DIN EN 832 basierenden, differenzierten Verfahren zur QNN-Ermittlung als Maß für das sommerliche Wärmeschutzniveau wird auch ein vereinfachtes („Handrechen-") Verfahren vorgestellt, das mit weitgehender Pau schalierung insbesondere für den Gebäudebereich mit Standardinnenlasten als Nachweisverfahren für den sommerlichen Wärmeschutz geeignet ist. ~it Rücksicht auf die zugrunde gelegten Pauschalierungen ist · es verfahrensbedingt notwendig, die mit dem vereinfachten Verfahren einzuhaltenden Grenzbedingungen des sommerlichen Wärmeschutzes auf der „s icheren" Seite festzulegen . Ein Gebäude, das die Grenzbedingungen des vereinfachten Verfahrens knapp erfüllt, liegt i. d. R. im differenzierten Verfahren unter den zulässigen Grenzwerten VOn QNN.max• Grundlage des vereinfachten Verfahrens ist der Sonneneintragskennwert S, der in Anlehnung an bestehende Kennwerte in der DIN 4108-2: 1981-08 [11] und der Wärmeschutzverordnung 1995 [12] aus dem Produkt des Fensterflächenanteils an der Fassade f , dem Gesamtenergiedurchlaßgrad g der verwendeten Verglasung, dem Abminderungsfaktor des gegebenenfalls zum Einsatz kommenden Sonnenschutzes Fc und dem Rahmenanteil an der Fensterfläche FF zu ermitteln ist (siehe GI. (5)). Dieser Kennwert S muß einen klimaregions- und gebäudeabhängigen, maximal zulässigen Grenzwert Smax einhalten: (2) Der Grenzwert Smax wird aus der Summe des Basis-Sonneneintragskennwerts 5 0 , der für die beschriebenen drei Sommer-Klimaregionen A, B und C unterschiedlich festgelegt ist, und den Bonus- und Maluskennwerten L\S;, die zur Berücksichtigung zusätzlicher wesentlicher Einflußparameter dienen , ermittelt: Smax =So+ L L\S; (3) Die Bonus-/Maluskennwerte berücksichtigen • drei Gebäudebauschwereklassen („schwer", „leicht" und „sehr leicht") • die Fensterorientierung und -neigung • den möglichen Luftwechsel (Nachtluftwechsel zur Auskühlung von Gebäuden während der Nachtstunden der Sommermonate) und • Art des Sonnenschutzes. Mit der regionalen Differenzierung für S0 und den Bonus-/Maluskennwerten stellt das Verfahren eine wesentliche Erweiterung der bisherigen Festlegungen (DIN 4108-2: 1981-08 [11], Wärmeschutzverordnung 1995 [12]) dar und ermöglicht es auf verhältnismäßig einfache Weise, die wesentlichen Einflußparameter auf das sommerliche Gebäudeverhalten in der Planungsphase zu berücksichtigen. Die sich errechnenden maximal zulässigen SonneneintragsGrenzwerte sind wiederum derart festgelegt, daß bei deren Einhaltung während der Aufenthaltszeit die für die drei Klimaregionen festgelegten Raumgrenztemperaturen an nicht mehr als 10 % der Zeit überschritten werden, die Gebäude folglich i. a. ohne Raumkühlung auskommen. Für den großen Bereich standardmäßig errichteter und genutzter Gebäude (übliche Massivbauweise, insbesondere Wohngebäude, durchschnittliche Büro- und Verwaltungsgebäude) ist eine Berechnung nach dem vereinfachten Verfahren für den sommerlichen Wärmeschutz ausreichend. Für Gebäude dagegen, deren Innenlasten, Nutzungsbedingungen (Luftwechsel, tageszeitlich stark variierende Belegung) und Bauweise (Bau- P. Deutscher, M. Elsberger und L. Rouvel •Sommerlicher Wärmeschutz 115 Bauphysik - Grundlagen schwere des Gebäudes) stark von den im vereinfachten Verfahren pauschal ierten Werten abweichen, ist das differenzierte Verfahren mit Ermittlung der normierten nicht nutzbaren Wärmeeinträge QNN zu empfehlen. Hierdurch können die Einflußparameter auf das sommerliche Gebäudeverhalten differenzierter in die Berechnung einfließen und Maßnahmen ergriffen werden, die im vereinfachten Verfahren in ihrer Feinheit (z.B. Verschattung des Gebäudes durch die Umgebung; realisierbare Luftwechselrate) bei der Gebäudebewertung nicht berücksichtigt werden können . Mit diesen beiden Kennwerten (QNN bzw. S) und deren Begrenzung auf ONN,max bzw. Smax wird gewährleistet, daß ein Gebäude bei „üblicher" Nutzung (Standardinnenlasten) ohne Raumkühlung auskommt und keine zu hohen Raumtemperaturen im Sommer aufweist. 3 116 900 h 800 ....„. :.-.• . ... . •· .„ . 700 "' 0 ~ - ,~. - „.., 600 ~ :;: 0.. „,t!J . ' 500 . ·. ·,;.. ;· "O c ::J ti5 300 • \ „„~.;:. E cQJ 400 . .• I 200 1 • :-- 100 .•: .• 0 0 2000 4000 6000 8 000 10000 12000 14000 Kh 16000 Übert e mperal urg radst und en Bild 1. Zusammenhang zw ischen Übertemperaturgradstund en und Stunden mit PMV-lnd ex über 0,5 für den Standort Mailand, Raumgren ztemperatur 25° C, Westraum nach [17] Untersuchte Parameter: Bauschwere, Fensterflächenanteil an der Fassade, erhöhter Luftwec hsel tagsbzw. nachtsüber Regionale Differenzierung Wesentlichen Einfluß auf die Wärmelasten im Raum haben die außenklimatischen Verhältnisse des Standortes eines Gebäudes. So wird beispielsweise für einen durchschnittlich genutzten Büroraum (Typraum S - schwer - nach VDI 2078 [13), Mittelraum innerhalb des Gebäudes, 50 % Fensterflächenanteil an der Außenfassade mit Wärmeschutzverglasung , 6 W/m 2 Innenlasten als 24h-Mittelwert, gesteuerter außenliegender Sonnenschutz) eine Raumgrenztemperatur von 25 °c an einem „sommerkühlen" Standort (z. B. Hof) etwa an 10 % der Aufenthaltszeit überschritten, während das identische Gebäude an einem „durchschnittlichen/gemäßigten" Standort (z.B. Essen) zu einer Überschreitung an ca. 20 % der Aufenthaltszeit und an einem „sommerheißen" Standort (z.B. Freiburg/ Breisgau) sogar an ca. 30 % der Aufenthaltszeit führt. Für den Standort Freiburg würde bereits ein nahezu fensterloser Büroraum (bei sonst gleichen Nutzungsbedingungen) aufgrund der hohen Außenlufttemperaturen während der Sommermonate an das Grenzkriterium, 25 °c an nicht mehr als 10 % der Aufenthaltszeit zu überschreiten, heranreichen. Diese Ergebnisse haben die Notwendigkeit aufgezeigt, hinsichtlich der Anforderungen an den sommerlichen Wärmeschutz eine regionale Differenzierung vorzunehmen. Für das Gebiet der Bundesrepublik Deutschland hat sich eine Differenzierung für den sommerlichen Wärmeschutz nach drei Klimaregionen als notwendig und ausreichend herausgestellt: • Sommer-Klimaregion A: „sommerkühle" Gebiete mit höchsten Monatsmitteltemperaturen ~ 16,5 °c z. B. Mittelgebirgslagen, Küstenregionen der Nordsee • Sommer-Klimaregion B: durchschnittlich/gemäßigte Gebiete mit höchsten Monatsmitteltemperaturen > 16,5 °c und < 18 °c; diese Klimaregion stellt den überwiegenden Anteil am Gebiet der Bundesrepublik Deutschland • Sommer-Klimaregion C: „sommerheiße" Gebiete mit höchsten Monatsmitteltemperaturen ;::: 18 °C; z.B. Flußniederungen (Oberrheingraben). Es sei darauf hingewiesen, daß in VDI 2078 vier Kühllastzonen definiert sind, die sich nach den Höchsttemperaturen im Sommer richten. Diese Vorgehensweise ist allerdings für die Be- P. Deutscher, M. Elsberger und L Rouvel •Sommerlicher Wärmeschut z wertung nach DIN EN 832, d. h. für ein Monatsbilanzierungsverfahren , nicht zweckmäßig. Für jede dieser Klimaregionen wird ein Grenzwert QNN,max für die normierten nicht nutzbaren Wärmeeinträge festgelegt, der nicht überschritten werden darf. Der dazugehörende Grenzwert für die Raumtemperatur 'ÖG re nz • die an nicht mehr als 10 % der Aufenthaltszeit überschritten werden darf, ist dabei definiert zu: für Sommer-Klimaregion A • 'ÖGre nz = 25 °C für Sommer-Klimaregion B • 'ÖGre nz = 26 °C für Sommer-Klimaregion C. • 'ÖGre nz = 27 °C Obwohl dabei für die wärmeren Klimaregionen B und C die festgelegten QNN,max-Werte gegenüber Klimaregion A höher angesetzt werden und damit die zulässige Raumgrenztempe ratur von 25 °c auf 26 °c bzw. 27 °c angehoben wird, sind die Anforderungen an den sommerlichen Wärmeschutz in den wärmeren Klimaregionen strenger als in Klimaregion A: Um z.B. 26 °c in Klimaregion B an nicht mehr als 10 % der Aufenthaltszeit zu überschreiten, ist ein geringerer Fensterflächenanteil oder ein verbesserter Sonnenschutz notwendig, als dies in Sommer-Klimaregion A der Fall ist, um dort 25 °c an nicht mehr als 10 % der Aufenthaltszeit einzuhalten. Eine nochmalige Verschärfung der Anforderungen ergibt sich aus dem QNN,ma x-Grenzwert für Sommer-Klimaregion C (siehe hierzu Abschnitt 5.3.2 im Teil 2 der Veröffentlichung [1]). Die Anforderungen an den sommerlichen Wärmeschutz gehen daher von folgenden Grundsätzen aus: • in den wärmeren Klimaregionen sind die Anforderungen an das sommerliche Raumklima geringer • dagegen sind die Anforderungen an den sommerlichen Wärmeschutz in den wärmeren Klimaregionen höher. 4 Grenzbedingungen zur Gewährleistung thermischer Behaglichkeit im Sommer Thermische Behaglichkeit stellt sich ein, wenn der Nutzer eines Raumes das Empfinden hat, daß es weder zu kalt noch zu warm ist und folglich aus seiner Sicht keine Notwendigkeit besteht, die raumklimatischen Verhältnisse zu ändern. Ein Überblick über die Behaglichkeitskriterien und deren zusammenhänge wird in (14] gegeben. Nach (15] besteht für Räume, die nicht gekühlt werden, ein linearer Zusammenhang zwischen der vom Nutzer als neutral empfundenen Innentemperatur mit dem Außentemperaturverlauf. Bewohner in Gebieten, in denen sich im Sommer hohe Außentemperaturen einstellen, empfinden also höhere Innentemperaturen als weniger unangenehm als Personen, die in kühleren Regionen beheimatet sind. Grund hierfür ist die Adaption des Bewohners an die äußeren klimatischen Verhältnisse z. B. durch eine entsprechende Bekleidung oder die Gewöhnung an ein höheres Temperaturniveau. Folglich ist die Höhe der Raumtemperatur, die der Nutzer im Sommer als unangenehm empfindet, von den vorherrschenden außenklimatischen Verhältnissen im Sommer abhängig. Für die oben aufgeführten Sommer-Klimaregionen ist daher eine differenzierte Festlegung der Raumgrenztemperatur zu lässig. Nach DIN 1946 (16] liegt der empfohlene Bereich für die operative Raumtemperatur zwischen 22 °c und 25 °c, wenn die Außentemperatur 25 °c nicht übersteigt. Bei weiterem Anstieg der Außenlufttemperatur darf die Raumtemperatur bis auf 27 °c steigen (DIN 1946 ist allerdings nur für Gebäude mit raumlufttechnischen Anlagen gültig). Als zulässige Raumgrenztemperatur kann dementsprechend für die Gebiete mit hohen Außentemperaturen im Sommer ein Wert von 27 °c angesetzt werden. Für Regionen mit milderen sommerlichen Verhältnissen ist in Anlehnung an (15] eine Senkung der Raumgrenztemperatur auf 26 °c bzw. 25 °c sinnvoll. Entsprechend sind auch die Kriterien für die drei Sommer-Klimaregionen A, B und C festgelegt: Gemäß dem Entwurf von DIN 1946-2: 1991 darf zur Einhaltung behaglicher Temperaturverhältnisse die Raumgrenztemperatur nicht häufiger als an 10 % der Aufenthaltszeit überschritten werden. Die Bedingung zur Gewährleistung des sommerlichen Wärmeschutzes lautet folglich: Die Bewertung des thermischen Verhaltens von Gebäuden durch Ht>0 ""' entspricht also auch der Bewertung durch den PM V-Index. 5 Ermittlung des thermischen Verhaltens von Gebäuden ohne Raumkühlung unter sommerlichen Randbedingungen 5.1 Vereinfachtes Verfahren Ausgangspunkt bei der Beurteilung des thermischen Verha ltens eines Raumes durch den Sonneneintragskennwert S ist die Überlegung, daß bei Standardbedingungen bezüglich Innenlasten und Luftwechselrate das thermische Verhalten eines Raumes hauptsächlich durch Unterschiede in der solaren Einstrahlung über die Fensterflächen beeinflußt wird. Durch bauliche Maßnahmen (z. B. durch Fenstergröße, Art des Sonnenschutzes) kann der Umfang „solare Wärmegewinne" gesteuert werden . Als Kennwert zur Beschreibung dieses Einflusses eignet sich der Sonneneintragswert S: S = f · gtotal · FF/0,7 (5) Dabei sind f: Fensterflächenanteil an der Fassade Bei Räumen mit einer Fassade gilt: Aw f = - -- Aw+AAw (6) mit den Fensterflächen Aw der Fassade und der Außenwandfläche AAw der Fassade. Bei Räumen mit zwei oder mehr Fensterfronten ist die Summe aller Fensterflächen auf die Hauptfassadenfläche, d. h. auf die größte Fassadenfläche, zu beziehen: 11 l::Aw.j f = J= ll (Aw + AAw)H auptl'assadc (7) (4 ) H 00 ,"" Häufigkeit der Überschreitung der Raumgrenztemperatur -(}Grenz Ein Gebäude hat die Vorgaben des sommerlichen Wärmeschutzes erfüllt, wenn durch geeignete Berechnungsverfahren nachgewiesen wird, daß die Häufigkeit der Überschreitung der Raumgrenztemperatur kleiner als 10 % der Aufenthaltszeit ist. Mit den jeweils ermittelten Kennwerten „normierte nicht nutzbare Wärmeeinträge QNN" bzw. „Sonneneintragskennwert S" lassen sich Rückschlüsse auf die Einhaltung der sommerlichen Behaglichkeitskriterien ziehen. Eine weitere Möglichkeit, den Zustand thermischer Behaglichkeit zu erfassen, ist nach (17] der PMV-lndex (PMV: Predicted Mean Vote). Nach DIN ISO 7730 (18] bestimmt sich der PMVlndex nach einer Formel, die aus einer statistischen Auswertung ermittelt wurde. Maßgebend für den PMV-lndex sind die Parameter Aktivitätsgrad des Menschen, Wärmewiderstand der Kleidung, Raumlufttemperatur, mittlere Strahlungstemperatur der Raumumschließungswände, Luftgeschwindigkeit und Luftfeuchte. Nach (19] besteht - in dem für die Einhaltung der sommerlichen Behaglichkeitskriterien relevanten Häufigkeitsbereich der Übertemperaturen - ein linearer Zusammenhang zwischen dem PMV-lndex und der Anzahl der Übertemperaturgradstunden. Bild 1 zeigt den Verlauf der Übertemperaturgradstunden in Bezug zu den Stunden, in denen der PMV-lndex über 0,5 (mehr als 10 % der Personen sind unzufrieden) liegt. gtota 1: Es ist daher möglich, daß rechnerisch f > 1,0 wird. Im Sinne von GI. (7) kann auch eine Dachfläche mit Fenstern Fassade und Hauptfassade sein. Als Hauptfassade kann nur eine Fassadenfläche angesetzt werden, deren Wert für f ~ 20 % ist. Gesamtenergiedurchlaßgrad der Verglasung einschließlich Sonnenschutz Dieser Wert kann nach folgenden Verfahren ermittelt werden: 1) vereinfachte Ermittlung mittels Abminderungsfaktor Fe g101al =Fe · g; (8 ) mit Fc Abminderungsfaktor für Sonnenschutzvorrichtungen FF: 2) differenzierte Ermittlung in Anlehnung an DIN EN 410 (20] . Abminderungsfaktor infolge des Rahmenanteils Der Bezug auf einen Standardglasflächenanteil von 0,7 für das Fenster ist gewählt, um kompatibel mit der bisherigen Definition in DIN 4108 Teil 2 (Ausgabe August 1981) zu bleiben. Um die Vorgaben des sommerlichen Wärmeschutzes zu erfüllen, muß der nach GI . (5) ermittelte S-Wert kleiner oder gleich dem maximal zulässigen Sonneneintragskennwert Smax sein: 117 P. Deutscher, M. Elsberger und L. Rouvel • Sommerl icher Wärmeschut z Bauphysik - Grundlagen (9 ) Smax ergibt sich aus einem Basiswert 5 0 sowie aus Korrekturwerten LiS1 der zutreffenden Einflußgrößen gemäß folgender Gleichung im Bonus-/Maluspr inzip: (10) Der Planer hat somit zwei Möglichkeiten, Einfluß auf das sommerliche Wärmeschutzniveau zu nehmen : a) Änderung des Sonneneintragskennwerts S mittels Variation der Parameter f, g 101 a1 und FF b) Änderung bauphysikalischer und geometrischer Einflußgrößen, berücksichtigt durch LiS1• Der Basiswert S0 und die Korrekturwerte LiS1 sind mittels einer umfangreichen Parameteruntersuchung unter Verwendung des dynamischen Simulationsprogramms GEBSIMU ermittelt worden. Randbedingungen des Basiswertes S0 sind : • schwere Bauweise nach VDI 2078, Typraum S (übliche Massivbauweise) • senkrechte Fensterausrichtung • 50 % Fensterflächenanteil an der Fassade (üblicher Wert im Bereich von Büro- und Verwaltungsgebäuden) • variabler außenliegender Sonnenschutz • Außenfassadenorientierung Ost über Süd bis West • Raumsolltemperatur 20 °c für die Beheizung des Raumes • Grundluftwechselrate 0,7 h-1 (24h-Mittelwert) • zusätzlicher Tagluftwechsel bis max. 3,0 h·1 bei erhöhter Raumlufttemperatur • kein erhöhter Nachtluftwechsel • Innenlast 6 W/m 2 (24h-Mittelwert). Beispielhaft für die Ermittlung der Kennwerte des sommerlichen Wärmeschutzes und des thermischen Verhaltens des Raumes im Sommerfall wird ein Eckraum mit zwei Außenfassaden mit jeweils ca . 50 % Fensterflächenanteil an der Fassade herangezogen, siehe Bild 2. Der Raum soll in der Einordnung der Bauschwere, in Anlehnung an VDI 2078, dem Typraum „leicht " entsprechen. Beispielhaft werden die nach Tab. 3 folgenden Bauteilaufbauten zugrunde gelegt. Für dieses Beispiel wird angenommen, daß die Standardbedingungen entsprechend Kap. 5.3.1 (Teil 2 der Veröffentlichung [1]) eingehalten werden, z. B.: • mittlere Luftwechselrate von 0,7 h-1 • Möglichkeit eines erhöhten Luftwechsels während der Aufenthaltszeit, um den Raumtemperaturanstieg zu vermindern • keine erhöhte Nachtlüftung • Innenlasten 6 W/m 2 im 24h-Mittel. Tabelle 1. Basiskenn werte S0 der Sommer-Klimaregionen A, B und C Tabelle 3. Bauteilaufbauten Basiskenn wert So Sommer-KI imaregion A B c 0. 18 0, 14 0,10 Abweichungen von den Basisrandbedingungen werden durch die LiS1-Werte berücksichtigt, siehe Tabelle 2. Tabelle 2. Korrekturwerte LiS 1 Zu berücksichtigende Einflußgröße LiS 1 5 .2 Beispielrechnunq für Ermittlunq von S und Sma x A ußenwand : kAw = 0,45 W /(m' -K) Schicht Gipsplatte A luminium PUR-Hartschaum A luminium Nordorientierte Räume (NW - N - NO) + 0, 10 Geneigte Fensterau sri chtung (Neigung von 0° bi s 60° gegenüber der Hori zontalen) - 0,06 900 2700 40 2700 0,0 19 0,002 0,06 0,002 A p 0,29 1,0 800 0, 12 A c (kJ/(kg· K)) p (W/(m·K)) (kg/m') d (m) 58 0,04 1,353 0,48 1,0 1,0 7800 150 1,2 0,00 1 0,02 0.23 2, 1 0,04 1,4 0.1 7 1,0 1,0 1,0 1,0 2400 150 2 100 300 0. 16 0.04 0,05 0.01 L uftschicht waagerecht - 0,04 1,0 0,8 1,5 0,8 Porenbeton + 0,04 Fensterflächenanteil an der Fassade: > 65% 0,4 1 200 0,03 200 d (m) M etall Mineralwolle + 0,05 d (m) p (kg/m') - 0, 10 schwere Bauart (kg/m-') c (kJ/(kg· K)) Extrem leichte Bauart: vorwiegend Innendämmung. große Halle, kaum Innenbauteile Sonnenschutzverglasung 1> mit g < 0,4 + 0,03 c (kJ/( kg·K)) A (W/(m·K)) - 0,03 leichte Bauart (W/( m·K)) Innenwand: Schicht Leichte B auart: Holzständerkonstruk tionen, leichte Trenn wände, untergehängte Decken Erhöhte Nachtlüftung (nachts n <: 1,5 h- 1 während der zweiten Nachthälf te) Decke/Fußboden: Schi cht Norm albeton M ineralwolle Estri ch Fußbodenbelag * fgeneig12) 1 eine adäquate Maßnahme ist auch eine Verglasung mit Sonnenschutzvor· richtung, die die diffuse Strahlung permanent reduziert und deren gtotal < 0,4 ist 2 > f 0 • 11 • 101 : Fensterfläche mit geneigten Fenstern bezogen auf die Hauptfas· sadenfläche AHr > llS Durch Einhaltung des Sonneneintragskennwerts Smax soll gewährleistet werden, daß die Raumgrenztemperatur l'>Gr enz rechnerisch an nicht mehr als 10 % der Aufenthaltszeit überschritten wird. Mit diesem Verfahren, das einen einfach erfaßbaren Kennwert beinhaltet, ist es möglich, bereits in der Vorplanungsphase Aussagen über die Einhaltung des sommerlichen Wärme schutzes eines Gebäudes zu treffen . Der Sonneneintragskennwert des vereinfachten Nachweisverfahrens liegt „auf der sicheren Seite" . Über Anwendung des differenzierten Verfahrens besteht die Möglichkeit, ggf. günstigere individuelle Randbedingungen zu berücksichtigen. P. Deutscher, M. Elsberger und L. Rouvel •Sommerlicher Wärm eschut z Außenwände: Fenster: Fläche Süd: 10,10 m' ; Fensterflächen Fläche Ost: 6 ,06 m' ; Südfenster: 10,00 m' , Ostfenster: 6,00 m' kr =1,60 W/(m'·K); g = 0 ,62 ; variabler Sonnenschutz Fe = 0 ,3 Abminderungsfaktor aufgrund des Rahmenanteils Fr =0,7 Als außenklimatische Basis wird die Klimaregion 7 (Essen) der DIN 4108-6 [21] Klimadaten in Sommer-Klimaregion B gewählt . Max imal zulässiger Sonneneintragskennwert Smax: Srnax = So + 2:1'.':.S; Basiswert: So= 0, 14 Essen --> Sommer-Kli maregion B zu berücksichtigende L':.S;·Werte: Süd~ .r~ :1 ~-------~- - - -· -·- · -·- · - Malus für leichte Bauweise: t:.SBA- L = - 0, 03 Fensterflächenanteil : Da der zu betrachtende Raum ein Eckraum ist, erfolgt die Ermittlung des Fensterflächenanteils gemäß GI. (7): f = I:Aw.j/(Aw + AAw)1-1aup1rassadc = ( 10,0 + 6,0) / ( 10, 1+ 10,0) = 0,80 Malus für Fensterflächenanteil > 65 % bezogen auf die Hauptfassade (Südfassade mit 20,10 m 2 ) t:.SF = - 0,04 =? Srnax =So+ L':.SBA- L + L'>SF = 0, 14 - 0,03 - 0,04 = 0,07 Tatsächlicher Sonneneintragskennwert S: S = f · gtotal · FF/0,70 f = I:Aw.j/(Aw + A Aw)1-1aup1rassade = ( 10,0 + 6,0) / ( 10, 1+ 10,0) = 0,80 gsiid.total = g ·Fe = 0,62 · 0,30 = 0, 19 FF = 0,70 =} s= 0, 80. 0, 19 . 0,7/ 0,70 = 0, 15 Da Ost Bild 2 . Sk izze des Be ispielraum es (Eckraum) Als Auswirkung des höheren Wertes von S0 könnte in der „sommerkühlen" Region z. B. die Fensterfläche an der Ostseite von 1,6 m 2 auf 3,0 m 2 erhöht werden (Süden weiterhin 10,0 m 2 ). Außerdem könnte zusätzlich der Sonnenschutz von einem Wert Fc = 0,3 auf Fc = 0,37 reduziert werden. Veränderung der Bauweise für die Sommer-Klimaregion C: Hier gilt S0 = 0,10. Als Auswirkung des niedrigeren Wertes von S0 darf in der „sommerheißen" Region an der Ostseite kein Fenster mehr vorgesehen werden. Zusätzlich müßte entweder der Sonnenschutz von einem Wert Fc = 0,3 auf Fc = 0 ,21 verbessert oder eine schwere Bauweise vorgesehen werden. Alternativ zur Verbesserung des Sonnenschutzes bzw. der schweren Bauweise könnte auch eine erhöhte Nachtlüftung vorgesehen werden. (Fortsetzung Heft 3/2000) S = 0, 15 > Smax = 0,07 wird das vereinfachte Nachweisverfahren nicht erfüllt. Um die Vorgaben des sommer lich·en Wärmeschutzes zu erfüllen, kann z. B. der Fensterflächenanteil vermindert werden. Der hierfür nötige Anteil fm ax läßt sich ermitteln aus: frnax = Smax · 0, 70/ (F F · g101al) = 0,07 · 0, 70/ (0, 7 · 0, 19) = 0,37 Literatur: [1] Deutscher, P., E:lsberqer, M. und Rou vel, L.: Sommerlicher Wärmeschutz Eine einheit liche Methodik für di e Anforderung an den winterlichen und sommerlichen Wärmeschutz, Teil 2. Erscheint in Heft 3/ 2000 der Bauphysik. Da sich hieraus ein Fensterflächenanteil von nur 37 % ergibt, muß die Smax· Berechnung neu ohne Malusvergabe für einen Fensterflächenanteil > 65 % durchgeführt werden: [2) DIN EN 832 : 1998-12: Wärm etechnisches Verhalten von Gebäuden; Berechnung des Heizenergiebedarfs, Wohngebäude . Deutsche Fassung EN 832 . Smax = So + L':.SsA - L = 0, 11 [3) Entwurf DIN EN ISO 13790 : 1999-08: (prEN 13790): Wärmetechn isches Verhalten von Gebäuden, Berechnung des Heizenerg iebedarfs . fmax = Smax · 0,70/ (FF · gtotal) = 0, 11· 0,70/ (0,7 ·0, 19) = 0,58 Die zulässige Gesamtfensterfläche beträgt AF = 0,58 · 20, 10m 2 = l l ,66 m2 Die Fensterfläche darf z. B. an der Südfassade unverändert mit 10,00 m 2 beibehalten werden, an der Ostfassade ist diese auf die erforderlichen 1,60 m 2 zu reduzieren. =? S = 0,58·0 , 19 · 0,7/0,70=0, 11 Da S = 0, 11 :'.':: Smax = 0, 11 ist der vereinfachte Nachweis erfüllt. Veränderung der Bauweise für die Sommer-Klimaregion A: Hier gilt S0 = 0,18. [4) Rou vel, L.: Berechnung des wärmetechnischen Verha ltens von Räumen bei dynamischen Wärmelasten . Brennstoff-Wärme-Kraft 24 (1972), H. 6, s. 245-262 . (5) Rouvel, L. : Raumkond it ion ierung - Wege zum energetisch optimierten Gebäude. Schriftenreihe der FfE - Band 12. Springer-Verlag , Ber lin (1978). [6) Rouve/, L. und Zimmermann, F.: Ein regelungstechn isches Mode ll zur Beschreibung des thermisch dynamischen Raumverha ltens. HLH 48 (1997), Nr. 10, 12 und HLH 49 (1998), Nr. 1. [7) Kolmetz, S. und Rouvel, L. : Einsat zbedingungen für RL T-Anlag en. Arbeitsbericht zum Arbeitspunkt 1.1 des Forschungsvorhaben s SANIREV . Technische Uni versität München (Mai 1996). [8 ) Kolmetz, S.: Thermische Bewertung von Gebäuden unter sommerlichen Randbedingungen - Ein vereinfachtes Verfahren zur Ermittlung von Raumtemperaturen in Gebäuden im Sommer und deren Häufigkeit. Dissertation Uni versität Gesamthochschule Kassel (1996). 119 P. Deutscher, M. Elsberger und L. Rou vel •Sommerlicher Wärmeschutz 4:füi!Wft11i0341!,t.rnt.t§.t•p• [9] Rouvel, L. und Kolmetz, S.: Thermische Bewertung von Gebäuden unter sommerlichen Randbedingungen . Gesundheitsingenieur 11B (1997) , S. 65-74. [10] Deutscher, P„ Elsberger, M. und Rouvel, L.: Vereinfachte Berechnungsverfahren für den sommerlichen Wärmeschutz sowie Einsatzbedingungen für RL T-Anlagen . Endbericht zum Arbeitspunkt 1.1 des Forschungsvorhabens SANIREV. Technische Universität München (Februar 1999). [11] DIN 410B-2 :1981-08: Wärmeschutz im Hochbau, Wärmedämmung und Wärmespeicherung; Anforderungen und Hinweise für Planung und Ausführung. [12] Verordnung über einen energiesparenden Wärmeschutz bei Gebäuden (Wärmeschutzverordnung - WärmeschutzV) vom 16. August 1994. BGBI. 1 s. 2121. [13) VDI 2078: 1996-07: Berechnung der Kühllast klimatisierter Räume (VDIKühllastregeln). [14] Fitzner, K. und Zeidler, 0.: SANIREV Arbeitspunkt 2.1 .1 Behaglichkeit. Arbeitsbericht zum Forschungsvorhaben SANIREV. Hermann-Rietschel-lnstitut (Jun i 1996). [15) Humphreys, M. A.: Thermalcomfort in the context of energy conservation. In: Roaf, S.; Hancook, M.: Energy Efficient Building ; Blackwell Scientific Publications, Oxford (1992). [16] DIN 1946-2 : 1994-01: Raumlufttechnik - Gesundheitstechnische Anforderungen. [17] Fanger, P.O.: Mensch und Raumklima; in: Rietschel: Raumklimatechnik, 16. Aufl., Bd. 1 Grundlagen; Springer-Verlag, 1994, S. 141 . [18] DIN ISO 7730: 1987-10: Gemäßigtes Umgebungsklima, Ermittlung des PMV und PPD und Beschreibung der Bedingungen für thermische Behaglichkeit. [19] Troi, A. und Gattoni, L.: Das thermische Verhalten von nichtklimatisierten Gebäuden im mediterranen Klima unter sommerlichen Randbedingungen. Diplomarbeit Technische Universität München, Dipartimento di lngegneria dei Sistemi Edilizi e Territoriali Mailand (1998). [20) DIN EN 410 :1998-12: Glas im Bauwesen - Bestimmung der lichttechnischen und strahlungsphysikalischen Kenngrößen von Verglasungen . [21] Entwurf DIN 4108-6: 1999-12: Wärmeschutz und Energie-Einsparung in Gebäuden - Berechnung des Jahresheizwärmebedarfs . .. 120 •=fü'hllV111iA3i''·t.!6\.t4·• Peter Deutscher, Martin Elsberger, Lothar Rouvel Sommerlicher Wärmeschutz Eine einheitliche Methodik für die Anforderungen an den winterlichen und sommerlichen Wärmeschutz, Teil 2 In der vorhergehenden Veröffentlichung [1] ist ein vereinfachtes Verfahren zur Ermittlung des thermischen Verhaltens von Gebäuden im Sommerfall beschrieben worden. Im vorliegenden Teil 2 wird nun ein differenziertes Verfahren aufbauend auf der DIN EN 832 und DIN EN ISO 13790 vorgestellt. Ein wesentlicher Punkt des differenzierten Verfahrens ist die Ermittlung der wirksamen Wärmespeicherkapazität in Anlehnung an ISO 13786 („Einzelbauteilverfahren"), da die Ermittlung der Wärmespeicherkapazität nach der „10 cm-Regel" in der DIN EN 832 und DIN EN ISO 13790 im Sommerfall sich nicht ausreichend genau erwiesen hat. 5 5.3 Ermittlung des thermischen Verhaltens von Gebäuden unter sommerlichen Randbedingungen Differenziertes Verfahren Mit dem differenzierten Verfahren wird das thermische Verhalten von Räumen unter sommerlichen Randbedingungen mittels einer Kennzahl, den „normierten nicht nutzbaren Wärmeeinträgen ONN'', die auch als Übertemperaturgradstunden interpretiert werden kann, festgelegt. Zur Ermittlung dieser Kennzahl wird ein quasistationäres Rechenverfahren, in Anlehnung an DIN EN 832 [2] bzw. DIN EN ISO 13790 [3], zugrunde gelegt. Damit können Aussagen über die thermischen Bedingungen von Räumen im Sommer getroffen werden. Wärmeeinträge setzen sich aus Einträgen durch interne Wärmequellen (Wärmeabgabe der Bewohner und/oder von Geräten und Beleuchtungseinrichtungen) 0 1 und durch solare Wärmeeinträge durch Fenster und Absorption an Außenwänden Os zusammen. Ein Teil der Wärmegewinne wird zu Heizzwecken genutzt. Der verbleibende Anteil (1 -ri) führt zu einem Anstieg der Rauminnentemperatur. Durch Normierung der nicht nutzbaren Wärmeeinträge auf die spezifischen Wärmeverluste, in DIN EN 832 „H" genannt, wird Prof. Dr.-lng. habil. Lothar Rouvel, Dipl.-Ing. Peter Deutscher, Dipl.Ing. Martin Elsberger, Lehrstuhl für Energiewirtschaft und Anwendungstechnik der Technischen Universität München, Arcisstraße 21 , 80333 München. Lothar Rouvel - 1965 Diplom-Ingenieur der Elektrotechnik, Studienrichtung Starkstromtechnik an der Technischen Hochschule Kassel, anschließend wissenschaftlicher Mitarbeiter bei der Forschungsstelle für Energiewirtschaft in Karlsruhe, 1972 Promotion an der Technischen Universität München, 1978 Habilitation auf dem Fachgebiet Energietechnik und -versorgung, seit 1980 Professor an der Technischen Universität München. Peter Deutscher - 1996 Diplom-Ingenieur der Elektrotechnik und Informationstechnik, Studienrichtung Energietechnik an der Technischen Universität München, seit 1998 wissenschaftlicher Mitarbeiter des Fachgebiets Energietechnik und -versorgung der Technischen Universität München. Martin Elsberger - 1995 Diplom-Ingenieur des Maschinenwesens, Studienrichtung Produktionstechnik an der Technischen Universität München, seit 1995 wissenschaftlicher Mitarbeiter des Fachgebiets Energietechnik und -versorgung der Technischen Universität 178 München. ·. der Kennwert der normierten nicht nutzbaren Wärmeeinträge ONN als Jahreswert definiert: Q 0Q N =L i= I 0(1- 17i). QG.i NN. i =L i= I (11) H; wobei i der Laufparameter für die Kalendermonate ist. ONN hat die Dimension Kh und ist auf den Zeitraum eines Jahres bezogen. Daher wird ONN in Kap. 5.5 mit Kh/a angegeben. Diese Dimension resultiert aus der Division der Energiemenge OG,i in Wh durch den Wärmeverlustkoeffizienten H; in W/K. Nach [4] besteht eine Korrelation zwischen den nach GI. (11) errechneten „normierten nicht nutzbaren Wärmeeinträgen ONN" und der Häufigkeit H 60 ,'"' , an denen eine bestimmte Raumgrenztemperatur -/}Grenz überschritten wird (z . B. H25 für eine Grenztemperatur von 25° C). Der Nachweis für diese Korrelation wird in [ 4] für 25° C und Klimadaten des Testreferenzjahres 7 (Würzburg) im Rahmen einer umfangreichen Parametervariation erbracht. Für die Bestimmung von ONN sind für die Parameter OG,;. H; und Tl; jeweils die entsprechenden Berechnungsverfahren nach DIN EN 832 zu verwenden. Dabei bedeuten die einzelnen Formelzeichen: monatliche Wärmegewinne • OG,i OG,i = 01,; + Os,; (12) 0 1,; monatliche innere Wärmegewinne z.B. durch Wärmeabgabe der Bewohner, von Geräten und Beleuchtungseinrichtungen usw. Os,; monatliche solare Wärmegewinne • H; mittlerer Wärmeverlustkoeffizient des Monats i H; = HT + HL,i (13) HT Transmissionwärmekoeffizient HL,i mittlerer Wärmeverlustkoeffizient durch Lüften des Monats i Im Gegensatz zu der Berechnung des Heizwärmebedarfs in der DIN EN 832 ist der Wärmeverlustkoeffizient H; in den Sommermonaten nicht konstant, da dieser von der monatsweise veränderbaren Luftwechselrate n; abhängt. Die Luftwechselrate n; wird erhöht, um eine Überhitzung zu vermeiden. Welche Luftwechselrate n; eingesetzt wird, wird in Abschnitt 5.3.1 „Standardbedingungen für die Ermittlung von ONN" beschrieben. • Tl; monatlicher Ausnutzungsgrad der Wärmegewinne (nach DIN EN 832) Zur Ermittlung des monatlichen Ausnutzungsgrades Tl; wird die wirksame Wärmespeicherkapazität Cwirk des Raumes benötigt. Bei der Ermittlung der wirksamen Wärmespeicherkapazität Cwirk darf nicht, wie nach DIN EN 832 für winterliche Verhältnisse ausreichend, die „10 cm-Regel" angewendet werden, sondern es muß in Anlehnung an ISO 13786 („Einzelbauteil - p verfahren") [5] die wirksame Wärmespeicherfähigkeit differenzierter bestimmt werden (siehe Abschnitt 5.4). Ost- und West-Fenster (einschließlich NO- und NW-Fenster): Foor = Fe · 0, 72 + 0. 27 • • (14) übrige Fenster ( SO, S, SW) außer Nord-Fenster: Fuor = Fe · 0, 86 + 0. 14 (16) Bei geneigten Fenstern (z.B. Schrägfenster im Dach) sind bei einer Abweichung von weniger als 45° von der Senkrechten die Werte nach GI. (14) bis (16) zu wählen. Bei noch flacherer Neigung (horizontal bis einschließlich 45° gegen die Horizontale) ist unabhängig von der Himmelsausrichtung GI. (15) zu verwenden. Ist der Sonnenschutz auch dann geschlossen, wenn nur Diffusstrahlung vorherrscht, ist der mittlere Abminderungsfaktor Fc,kor identisch mit dem Abminderungsfaktor Fc des geschlossenen Sonnenschutzes . Es gilt hierfür: (17) Fe.kor= Fe - Einfallswinkel der solaren Strahlung auf die Verglasung: Der Gesamtenergiedurchlaßgrad g ist auf den senkrechten Strahlungseinfall bezogen. Zur Berücksichtigung des unterschiedlichen Strahlungseinfalls über den Tag und über das Jahr ist eine Korrektur des Gesamtenerg iedurchlaßgrades g erforderlich. Der Korrekturfaktor variiert selbstverständlich abhängig von der Himmelsrichtung der Verglasung. Trotzdem läßt sich ohne erhebliche Fehler ein mittlerer Zusammenhang unabhängig von der Himmelsrichtung feststellen: gkor - ~ (18) 0.85 g mittlerer Luftwechsel: DIN EN 832 beschreibt ein Monatsbilanzierungsverfahren. Daher muß zur Berücksichtigung des Lüftungsverhaltens ein zeitlich gewichteter, mittlerer Luftwechsel verwendet werden. 11 24 nNL nTL = (11 N L · l N L + 11TL · lTL)/24 pppp PPP PPP p 4:fül!UM11iA§il!,\.IM·M·• QNN Raumsolltemperatur: 20° C (Tagesmittelwert ohne zusätzliche Nachtabsenkung, da die Sommerperiode betrachtet wird) Interne Wärmegewinne: Die mitt lere interne Wärmeleistung, bezogen auf die jeweils betrachtete Raumgrundfläche (lichte Abmessung), beträgt für: Wohngebäude « 5 W/m 2 Nutzfläche Nichtwohngebäude 6 W/m 2 Nutzfläche. Diese Werte sind als Mittelwerte auf 24h bezogen zu verstehen. In Nichtwohngebäuden unterscheidet sich der tatsächliche Verlauf der Wärmeleistung von dem angegebenen Mittelwert deutlich: in der Anwesenheitszeit ist die Last, bedingt durch Wärmeeinträge der Personen, technische Geräte und Beleuchtung relat iv hoch, in den Zeiten, in denen der Raum nicht benutzt wird, können sehr geringe oder keine inneren Wärmeeinträge angenommen werden. Luftwechsel im Sommer: Als mittlerer Grundluftwechsel wird angesetzt: Wohngebäude: n 2 4 = 0,7 h-1 Nichtwohngebäude: n 24 = 0,7 h-1 (15) Nord-Fenster: Fe.kor = 1 p 5 .3.1 Standardbedingungen für die Ermittlung von • Zur Ermittlung der Wärmegewinne und der spezifischen Verluste nach DIN EN 832 sind noch folgende zusätzliche Einflußgrößen zu berücksichtigen: - Orientierung der Fenster und bedarfsabhängiger Einsatz des Sonnenschutzes: Da der Sonnenschutz in der Regel nicht immer geschlossen ist, sondern nur während Zeiten mit direkter Sonneneinstrahlung auf die Fenster, muß der Abminderungsfaktor des Sonnenschutzes Fc zur Nachbildung der mittleren Verhältnisse korrigiert werden. Der Fc,k0 ,-Wert ist abhängig von der Relation der Direktstrahlung zur Diffusstrahlung für die jeweilige Himmelsrichtung. Nach [4] bestimmt sich der mittlere, auf die Heilzeit bezogene Abminderungsfaktor für einen Sonnenschutz, Fc,kor zu : PP (19) Luftwechselrate während der Nacht Luftwechselrate während des Tages (bzw. Anwesenheitszeit) tNL mittlere Zeit des Nachtlüftens t TL mittlere Zeit des Taglüftens Anzusetzende Werte für den Luftwechsel sind im nachfolgenden Abschnitt aufgeführt . Erläuterung zum Grundluftwechsel in Nichtwohngebäuden: Außerhalb der Aufenthaltszeit ist mit einem Luftwechsel entsprechend der Dichtheit des Gebäudes (n = 0,3 h-1, sofern nichts genaueres bekannt ist) zu rechnen. Die Luftwechselrate während der Anwesenheitszeit hängt von der vorgegebenen Belegung und Nutzung des Raumes ab. Beispielhaft sei hier ein Büroraum (AR = 20,4 m 2 , V = 58 m3) gewählt, der während 9 h von zwei Personen genutzt wird . Bei einem Frischluftbedarf von 40 m3 /h je Person ergibt sich ein notwendiger Luftwechsel von 1,37 h-1• In diesem Fall ergibt sich nach GI. (19) ein mittlerer Luftwechsel von: 11 24 = ( 1,37 h- 1 .9 11 +0,311 - 1 . 1511)/2411=0,711 - 1 Erhöhter Luftwechsel im Sommer: Wenn es im Sommer im Raum zu warm wird, wird in der Regel durch Öffnen des Fenst ers durch den Raumnutzer versucht, ein zu starkes Ansteigen der Raumtemperaturen zu vermeiden. Dies läßt sich in der Berechnung folgendermaßen berücksichtigen : Überschreitet die nach DIN EN 832 errechnete mittlere monatliche Raumtemperatur den Wert von 21,5° C, kann der Luftwechsel durch erhöhtes Lüften während der Aufenthaltszeit bis auf 3 h-1 erhöht werden, um eine Überhitzung des Raumes zu vermeiden. Der zusätzliche Luftwechsel darf allerdings nur soweit erhöht werden, daß die mittlere Raumtemperatur dadurch nicht unter 21,5° C fällt. Da das hier beschriebene Berechnungsverfahren entsprechend DIN EN 832 ein Monatsbilanzierungsverfahren ist, entspricht die zu berücksichtigende Monatsmitteltemperatur 21 ,5° C bei Anwendung eines dynamischen Rechenverfahrens einer tatsächlichen Temperatur von etwa 23° C. Wenn auch außerhalb der Aufenthaltszeit der Luftwechsel gezielt erhöht werden kann, darf maximal mit einem mittleren Luftwechsel außerhalb der Anwesenheitszeiten von 2 h-1 gerechnet werden. 179 P. Deutscher, M. Elsberger, L. Rouvel •Sommerlicher Wärmeschutz •:m••m11:oaa11.1.1m.rn.•„ 5.3.2 Grenzwert QNN,max für die normierten nicht nutzbaren Wärmeeinträge Tabelle 4. ONN ,ma• (Werte gerundet) der drei Sommer-Klimaregionen Sommer-Klimaregion Einflußgrößen auf den Grenzwert QNN.max sind: Standort Himmelsrichtung Bauschwere mittlere Luftwechselrate Zeitraum des Lüftens innere Wärmelasten Fensteranteil an der Fassade Abminderungsfaktor des Sonnenschutzes Art der Verglasung In [6] und [7] sind die untersuchten Parameter detailliert beschrieben und die Ergebnisse systematisch dargestellt. Bild 3 zeigt beispielhaft das Ergebnis einer Parametervariation unter Verwendung der Klimadaten des Testreferenzjahres 3, Essen. Der Verlauf der Häufigkeiten über 26 °c weist ONN,max in Kh/a .. . . ... .. . . .... •••• „ •• 30 c: u 25 0 <Q ... 20 "ijj 15 - ...... . ::::s . „ ·•11 ..lf:: t,.: „ C'I --=:::J 10 :111 . ... . . ....• . - L.· t• .. J: <Ö N J: . 0 0 5.000 10.000 15.000 20.000 8000 11000 14000 25.000 311.000 Maßgebend für die Bestimmung des Grenzwertes QNN,ma x sind Wertepaare, die im Bereich von H,,0 „ 0 , =10 % liegen. Bild 4 zeigt die Zusammenstellung der Ergebnisse der drei Sommer-Klimaregionen für den Bereich 5% < H00 „ < 20 % . Um die geringen Streubereiche der Werte zu verdeutlichen, sind neben den Regressionsgeraden auch die Einzelergebnisse der Berechnungen für die Sommer-Klimaregionen A (TRY Hof) und C (TRY Freiburg) dargestellt. Es ist ein deutlicher linearer Zusammenhang zwischen H00 ,'"' und QNN zu erkennen. Aus den jeweiligen Regressionsgeraden läßt sich für jede Sommer-Klimaregion der QNN,ma x-Wert für Ho0 „„ =10 % ermitteln (Tabelle 4). Ein zu bewertendes Gebäude erfüllt die Vorgaben des sommerlichen Wärmeschutzes, wenn der unter „Standardbedingungen" ermittelte Wert QNN den jeGrenzwert QNN,max nicht weiligen überschreitet: , ~ Cl> .0 c 0 ~ N B für den untersuchten Bereich einen straffen Zusammenhang zu den normierten nicht nutzbaren Wärmeeinträgen QNN auf. Gemäß den erläuterten Behaglichkeitsanforderungen soll die Häufigkeit der Überschreitung der Raumgrenztemperatur OGrenz einen Wert von 10 % der Aufenthaltszeit nicht überschreiten. Die standortdifferenzierte Raumgrenztemperatur OGren z beträgt: Sommer-Klimaregion A: OGren z = 25 °C Sommer-Klimaregion B: OGrenz = 26 °C Sommer-Klimaregion C: OGren z = 27 °C 35 ~ 0 A 35.000 QNN, normierte nicht nutzbare Wärmeeinträge in Kh Bild 3. Häufigkeit von Raumtemperaturen über 26 °c in Relation zu den nicht nutzbaren Wärmeeinträgen ON N (Klimadaten TRY Essen) (20) .lll<IX / ~ 0 20 c: N c: !" „ • • Klimareg ion A (!) ~ ...Cl> .0 - .~ ::::s ·..lf::m C'I ß 0 ~ =25 " C (TRY Hof) ..... 15 - - K limaregion B ßo.~= 26 " C 10 --=:::J 5.4 :111 J: ,:; c: !" - • Klimaregion C (!) '<> Durch die Einhaltung dieser Vorgabe wird gewährleistet, daß für ein Gebäude bei üblicher Nutzung zur Einhaltung der Behaglichkeitskriterien der Einsatz einer raumlufttechnischen Anlage nicht notwendig ist. ßGfenz = 1 (TRY Freiburg) / J: 0 5.000 27°C Wirksame Wärmespeicherkapazität Cwirk für die Bewertung des Wärmespeicherverhaltens von Räumen 10.000 15.000 20.000 25.000 QNN, normierte nicht nutzbare Wärmeeinträge in Kh Bild 4 . Zusammenhang zwischen den normierten nicht nutzbaren Wärmeeinträgen t'!Gcen' überschritten wird 180 keilen H0"'""" mit der die Grenzraumtemperatur P. Deutscher, M. Elsberger, L. Rouvel •Sommerlicher Wärmeschutz ON N und den Häufig- Bei der Ermittlung der wirksamen Wärmespeicherkapazität in der DIN EN 832 wird die „10 cm-Regel" angewendet, d. h. für die Bestimmung der Wärmespeicherkapazität werden maximal 10 cm der Dicke berücksichtigt, was sich für die Bestimmung der winterlichen Ver- hältnisse als ausreichend erwiesen hat. Für die QNN - Ermittlung hat sich ein genaueres Verfahren als notwendig herausgestellt. In Anlehnung an ISO 13786 („Einzelbauteilverfahren") [5] wird die wirksame Wärmespeicherfähigkeit differenzierter bestimmt. Ersatzmodell für das thermische Verhalten von Wänden Wie bereits in [8] gezeigt, besteht die prinzipielle Möglichkeit, aus dem Beuken-Modell - [9] - analytische Rechenvorschriften abzuleiten, um das wärmetechnische Verhalten von Wänden und Räumen bei dynamischer Wärmebelastung zu beschreiben. Um einerseits mit relativ kurzen Rechenzeiten und minimalem Speicherbedarf auszukommen und andererseits ausreichende Genauigkeit zu gewährleisten, wurde ein Rechenverfahren mittels „elektrischer" Ersatzmodelle für das thermische Verhalten von Wänden entwickelt [10]. In [10] und [11] sind zwei Modelle für das wärmetechnische Verhalten von mehrschichtigen Bauteilen hergeleitet. Das den Berechnungen zugrundeliegende Ersatzmodell für das wärmetechnische Verhalten von Wänden ist in Bild 5 dargestellt. Die Widerstände R„ R2 und R3 sowie die Kapazitäten C1 und C2 des Ersatzmodells lassen sich nach [10] und [11] mit Hilfe der Matrizenrechnung aus dem Fourieransatz für das wärmetechnische Verhalten von Wänden herleiten. Das wärmetechnische Verhalten einer homogenen Wand schicht v beliebiger Dicke s läßt sich bei eindimensionalem Wärmefluß im periodischen Fall in Matrizenschreibweise schreiben zu: J2(x ( g_(x = 0) ) - A . = 0) " ( J2(x) ) (21) g_(x) wobei x die Koordinate in Richtung der Wandnormalen ist. Die Kettenmatrix A„ für eine Wandschicht läßt sich schreiben zu: A, = 11~11 !:!21 foll - f!.22 V Re fü1 Im fü1 Re fü1 - Im fü1 Im fü 1 Re fb2 Re !:!21 - Im fü2 Re fü1 -lm !:!.11 Re !:!21 - lm fü1 Im fü1 Re fü1 Im fü 2 Re fü2 (22 ) V Die Elemente der Kettenmatrix für eine Wandschicht v erhält man wie folgt: Re a 11 = Re an= cos h --- j~wRC ·cos j~wRC 2 2 (23) ~-~ (24) Im !:! 11 = Im fü 2 = sinh V2.w KL · s 111 V2.w RC innen Vielschichtiges Bauteil (\J····· · ·········· · ············ · ······· 0 aussen .... . ..... . o ~ :~0°o00o Ooo oü~ :Oo oOo 0 ~ _; _ o. . . o ......o.?_g -~ 0 Re a 11 = R · - - Im fü 2 = R · j2w RC · ( cos h j~wRC ·sin j~wRC 2 2 +sinh j~wRC ·cos j~ wRC ) 1 r;;J;;, ·( cos h (25) j~wRC ·sin j~ wRC ·. ~ ~) -~ nh y2.w R C-cmi; w R C (26) 2 Re fü i = - ~ · j~wRC ·(cos h j~wRCsin j~wRC -sinh Im !:!_21 = j~wRCcos j~wRC ) (27) ~ · j~ wRC ·(cos h j~wRCsin j~ wRC +sinh j~wRCcos j~ wRC ) (28) mit: R Wärmedurchlaßwiderstand der Bauteilschicht je Flächeneinheit in m' K/W mit R = s/'A. C Wärmekapazität der Bauteilschicht je Flächeneinheit in kJ/(m 2 · K) mit C = c p s w Kreisfrequenz Für die Herleitung des Ersatzmodells nach Bild 5 hat sich die Verwendung einer Periodendauer der Grundschwingung von 7 Tagen als am geeignetsten herausgestellt (siehe [6]). Somit ist w =10,39·10-6 s- 1 zu wählen s Dicke der Wandschicht in m /... Wärmeleitfähigkeit der Bauteilschicht in W/(m · K) c p Wärmespeicherkapazität der Bauteilschicht in kJ/(m ' · K) . Die Kettenmatrix A1,n des Gesamtbauteils errechnet sich durch Matrizenmultiplikation der Matrizen Av der einzelnen Bauteilschichten (v =1,n) von innen nach außen zu: (29) Die Reihenfolge der einzelnen Bauteilschichten darf nicht vertauscht werden, da die Matrix A1,n i.a. nicht richtungssymmetrisch ist. Der Berechnungsweg ist bis zu diesem Schritt im differenzierten Verfahren nach ISO 13786 [5] enthalten. Mit Hilfe der Elemente der Kettenmatrix A1.n für das Gesamtbauteil nach Gleichung (29) lassen sich die Widerstände und Kapazitäten des Ersatzmodells, bezogen auf 1 m' Bauteilfläche, bestimmen zu: _ Re(fü 2 R1 - R2 = - 1) · Refü 2 + Im (!:!22 - 1) - lm fü 2 „ „ Re(!:!. 22 - 1)- + lm (fö 2 - 1)- Re(!:!. 11 - 1) · Refü 2 + lm (!:! 11 - 1) · lm ~ 1 2 ? Re(!:!. 11 - 1)- + lm (fü 1 - 1) 2 Re @22 - 1) 2 + 1m @22 - 1) 2 C1 = - - - - - ----------w [Refü2 - lm (!:!.22 - 1)- Re(fö 2 - 1) - lm fü 2] (30) (31 ) (32) Bild 5. Ersatzmodell für das wärmetechnische Verhalten von Bauteilen 181 P. Deutscher, M. Elsberger, L. Rouvel •Sommerlicher Wärmeschutz c, = - 2 2 Re(fü 1 - 1) + lm (E!_ 11 - 1) w [Refü 2 · lm (fü 1 - 1) - Re(fü 1 - 1) - lm fü 2] (33) Rl ql Der Widerstand R3 errechnet sich als Differenz zwischen dem Gesamtwärmedurchgangswiderstand eines Bauteils und der Summe der Ersatzmodellwiderstände R1 und R2 R2 R3 q2 Bauteil (34) Bild 6. Vereinfachtes Ersatzmodell für das wärmetechnische Verhalten von Bauteilen bei einseitiger thermischer Belastung Bei Innenwänden liegt in der Regel der Fall einer symmetrischen Belastung auf beiden Bauteilseiten vor, so daß nur C1 zu berücksichtigen ist. Bei der Betrachtung von Außen- und unsymmetrisch belasteten Innenbauteilen läßt sich das Ersatzmodell für den allgemeinen Fall der thermischen Belastung nach Bild 5 auch noch vereinfachen zu Bild 6: Für die Wärmespeicherkapazität C1 e in s und C2 ein s folgt daraus: Rw - Re ( ~ 1 2 2 lfü21 fö2 C 1eins. Im w · R1 ) ( rl22 ~1 2 ) (35) Die Parallelschaltung der komplexen Wärmedurchgangswiderstände ~1 „ für alle Bauteile µ erfolgt somit nach: (42 ) Bei Parallelschaltung der komplexen Wärmedurchgangswiderstände Z 1 von zwei Wänden errechnet sich der gemeinsame Wärmedu;chgangswiderstand R; zu: R* _ R1 , 1 - ·Ci,+ R1, ·Ci, +w2 · R1 , · R 1, · (R1 , + R1 , ) ·Ci,· Ci, 2 (C 1, + C1 , ) + w2 · ( R1 , + R1 , )2 ·Ci, ·Ci, Rw - Refü 2 · R e~ 22 - lm fü 2 · lm ni 2 RcE!_22 · lm fü 2 - RcE!_ 12 · lm fö 2 (43) c;, Wird auf die Fläche A jedes Bauteils hochgerechnet, so ist mit (36) die identisch mit der und die gemeinsame Wärmekapazität wirksamen Wärmespeicherkapazität Cwirk des Raumes ist, zu: , Cwirk =C l = + C1,) 2 + w2 · (R 1, + R1 , )2 ·Ci, ·CL , · C 1, + C 1, + w 2 · ( R ~, · C 1, + R ~, · C 1, )- · C 1, · C 1, (C 1, (37) (44) Fläche des Bauteils in m' zu rechnen. Bei Außenbauteilen wird die Fläche A über Außenmaße (Bruttofläche) und bei Innenbauteilen über die Innenmaße (Nettofläche) bestimmt. Die für den Raum wirksame Wärmespeicherkapazität Cwirk kann vereinfacht durch Parallelschaltung (Addition) der einzelnen Bauteilkapazitäten C 1 (C 2 ) bzw. C 1 eins. (C 2 eins.> errechnet werden: Bei Parallelschaltung von mehr als zwei Wänden sind die GI. (43) und GI. (44) entsprechend mehrfach auszuführen. Für die Kreisfrequenz w ist entsprechend den Erläuterungen zur Herleitung des Ersatzmodells nach Bild 5 nach GI. (23)ff eine Periodendauer der Grundschwingung von 7 Tagen einzusetzen. mit: A (38) Sind die einzelnen Bauteile sehr unterschiedlich in Produkt von Wärmespeicherfähigkeit C1„ und Wärmewiderstand R\,• was einer Zeitkonstante T1 = R1 · C 1 entspricht, und ist der Flächenanteil der sehr unt~ rschi~dli~hen Bauteile bedeutend, so kann dies bei der einfachen Parallelschaltung zu Ungenauigkeiten führen. Günstiger ist daher als Alternative zur Parallelschaltung der Kapazitäten die Parallelschaltung der komplexen Widerstände ~,,,. wobei gilt: 0 Z 1,, = R1 ,, + 1/ (j w C 1,, ) (39) Der Wärmedurchgangswiderstand R\, ist somit der Realteil von~\. (40) und die Wärmespeicherfähigkeit Ci., ermittelt sich aus dem Imaginärteil von ~\. 1 C1 = - - - - ,, w ·Im (Z 1,,) 182 P. Deutscher, M. Elsberger, L. Rouvel • Sommerlicher Wärmeschutz (41) 5.5 Beispielrechnung für Ermittlung der Kennwerte des sommerlichen Wärmeschutzes Beispielhaft für die Ermittlung der Kennwerte des sommerlichen Wärmeschutzes und des thermischen Verhaltens des Raumes im Sommerfall wird ein Eckraum mit zwei Außenfassaden mit jeweils ca. 50 % Fensterflächenanteil an der Fassade herangezogen, siehe Bild 2 im Teil 1 [1] der Veröffentlichung. Der Raum soll in der Einordnung der Bauschwere, in Anlehnung an VDI 2078 [12], dem Typraum „leicht" entsprechen. Die entsprechenden Kennwerte sind identisch mit dem Beispiel für das vereinfachte Nachweisverfahren im Teil 1 der Veröffentlichung. Es wird angesetzt, daß Vorkehrungen zur Ermöglichung eines erhöhten Lüftens (im Mittel bis zu n = 3,0 h" 1) während der Aufenthaltszeit (9 h/Tag) getroffen worden sind, falls das Monatsmittel der Raumtemperatur nach DIN EN 832 21,5 °c überschreitet. Ansonsten (Monatsmittel der Raumtemperatur < 21,5 °C) wird die Standardluftwechselrate von 0,7 h-1 (24 hMittelwert, ermittelt aus Luftwechsel von 1,37 h-1 während der Aufenthaltszeit und 0,3 h- 1 während der Restzeit) angesetzt. Die internen Lasten während der Aufenthaltszeit (9 h/Tag) betragen im Mittel 16 W/m 2 (Nettonutzfläche), bezogen auf 24 h betragen die internen Lasten demnach 6 W/m' (= Standardfall im Nichtwohnbereich). Als außenklimatische Basis wird die Klimaregion 7 (Essen) der DIN 4108-6 Klimadaten im Sommer-Klimaregion B gewählt. Der differenzierte Nachweis ist nur mittels eines Computerprogramms möglich, in dem die Gleichungen für die Ermittlung der „normierten nicht nutzbaren Wärmegewinne QNN" enthalten sind. Exemplarisch werden die Einzelergebnisse für die Monate Mai und Juli dargestellt. 0NN Monatliche Wärmegewinne: QG. 1ai Monatliche Wärmeverlustkoeffizienten: H Mai = 49,2 W / K H Juli = 57,9 W / K Unterschiede in H; sind auf die unterschiedliche Luftwechselrate zurückzuführen, da der zur Verfügung stehende zusätzliche Luftwechsel im Mai teilweise, im Juli dagegen voll ausgenutzt wird. ll Mai = 0,86 11 - I Oinncn. Mai = 2 1, 5 C llfol i = 1,3 111- 1 O inncn.Juli = 24, 7°C Monatliche Wärmeverluste: Q v.Mai = 259 .7 kWl1 Qv. Juli = 111 .7 kWl1 Wirksame Wärmespeicherkapazität: = 0,7 1 /)Juli = 0,35 Die normierten nicht nutzbaren Wärmeeinträge QNN,i der Monate Mai und Juli ergeben sich zu: . Q NN.Ma1 - (1- T/Mai) . Q G.Mai H Ma i . = (1 - T/Ju li) . Q G. Juli = .Juli HJuli ( 1 - 0,7 1) . 314600 KI - 1854 KI 1 1 49,2 ( 1 - 0,35) . 316700 Kl1 57,9 = 3592 Kl1 Der nach GI. (12) ermittelte Gesamtwert von QNN für das ganze Jahr ergibt sich für dieses Beispiel zu: Q N = 135 15 Kl1 /a Da als klimatische Basis die Klimaregion 7 (Essen) herangezogen wird, muß für die Überprüfung des sommerlichen Wärmeschutzes der ermittelte Wert der normierten nicht nutzbaren Wärmeeinträge mit dem Grenzwert QNN,max der Sommer-Klimaregion B verglichen werden. 0 NN = 0 NN.max Veränderung der Bauweise für die Sommer-Klimaregion A: Der zulässige Grenzwert QNN,max für die „sommerkühle" Re gion beträgt 8000 Kh/a. Die Ostfenster müssen für diesen Fall nicht mehr von 6 m 2 auf 1,6 m 2 - wie in der Sommer-Klimaregion B - reduziert werden, sondern nur noch auf 3,9 m 2 • Beim vereinfachten Verfahren gelten etwas strengere Anforderungen, da entsprechend für das Ostfenster nur 3,0 m 2 zulässig wären, wie im folgenden Abschnitt „Vereinfachtes Verfahren" beschrieben wird. Veränderung der Bauweise für die Sommer-Klimaregion C: Der zulässige Grenzwert QNN,max für die „sommerheiße" Region beträgt 14000 Kh/a. Für diesen Fall darf auf der Ostseite kein Fenster mehr vorgesehen werden. Zusätzlich müßte entweder der Sonnenschutz von einem Wert Fc = 0,3 auf Fc = 0,21 verbessert oder eine schwerere Bauweise vorgesehen werden. Alternativ zur Verbesserung des Sonnenschutzes bzw. der schwereren Bauweise könnte auch eine erhöhte Nachtlüftung vorgesehen werden, wobei abhängig von der Höhe des Nachtluftwechsels auch an der Ostfassade eine Fensterfläche möglich wäre. = 2309 Wl1 / K Monatlicher Ausnutzungsgrad der Wärmegewinne für Heizzwecke: Q Kl1 /a < 11000 Kl1 /a 316,7 kWl1 Da für alle Monate die gleichen inneren Wärmelasten angesetzt sind, begründen sich die unterschiedlichen Werte von OG ,i auf Unterschiede in der solaren Einstrahlung. l) Mai = 10800 In diesem Fall werden die Vorgaben des sommerlichen Wärmeschutzes erfüllt. · = 314,6 kWl1 QG.Juli = C"irk Eine Möglichkeit, die Vorgaben des sommerlichen Wärmeschutzes zu erfüllen, ist eine Verringerung der Fensterflächen. Dies führt zur Reduktion der solaren Wärmeeinträge und somit zur einer Verringerung der normierten nicht nutzbaren Wärmeeinträge QNN· Wird der Anteil der Fensterfläche an der Ostfassade von 50 % auf 17 % (1,6 m2) reduziert, ergibt sich ein QNN von: = 135 15 Kl1 /a > 11000 Kl1 / a = Q N .max Die Vorgaben des sommerlichen Wärmeschutzes sind nicht erfüllt. 6 Fazit Es sind zwei Berechnungsverfahren vorgestellt worden, mit den sich das thermische Verhalten von Gebäuden im Sommerfall beschreiben läßt. Das differenzierte Verfahren der „normierten nicht nutzbaren Wärmeeinträge QNN" erlaubt Rückschlüsse auf die Häufigkeit der Temperaturüberschreitung. Durch die Einhaltung des Grenzwertes QNN.ma x wird gewährleistet, daß zur Bereitstellung thermisch behaglicher Verhältnisse der Einsatz einer raumlufttechnischen Anlage nicht notwendig ist. Weiterhin ist ein vereinfachtes Verfahren über den „Sonneneintragskennwert S" hergeleitet worden, der an bestehende Kennwerte in der DIN 4108-2 [13] anknüpft. Dieser Kennwert muß einen klimaregions- und gebäudeabhängigen, maximal zulässigen Grenzwert Sma x einhalten. Der Grenzwert Sma x wird aus der Summe des Basis-Sonneneintragskennwerts S0 , der für die beschriebenen drei Sommer-Klimaregionen A, B und C unterschiedlich festgelegt ist, und den Bonus- und Maluskennwerten t.S1, die zur Berücksichtigung zusätzlicher wesentlicher Einflußparameter dienen, ermittelt. Mit diesen beiden Kennwerten (QNN bzw. S) und deren Begrenzung auf QNN,ma x bzw. Sma x wird gewährleistet, daß ein Gebäude bei „üblicher" Nutzung (Standardinnenlasten) ohne Raumkühlung auskommt und keine zu hohen Raumtemperaturen im Sommer aufweist. 183 P. Deutscher, M. Elsber9er, L. Rouvel • s.ommerlicher Wärmeschutz Unter Berücksichtigung der Standardbedingungen für beheizte Gebäude gilt: Q NN _::: Q NN.max bzw. S _::: S max Diese Anforderung gilt auch für Gebäude mit Raumkühlung, da sicherstellt werden soll, daß das Gebäude nicht mehr gekühlt werden muß, wenn es mit „Standardbedingungen" betrieben wird. Wenn sich also die Sonderbedingungen - wie z.B. erhöhte Innenlasten - im laufe der Nutzung des Gebäudes ändern sollten, soll das Gebäude auch ohne Kühlung genutzt werden können. Die Besonderheiten für den Nachweis des sommerlichen Wärmeschutzes bei Gebäuden, die mit raumlufttechnischen Anla gen klimatisiert werden, werden in Heft 4 der BAUPHYSIK erläutert. 7 Es werden ein differenziertes und ein vereinfachtes Berechnungsverfahren für das sommerliche Gebäudeverhalten bereitgestellt sowie Grenzkriterien für den sommerlichen Wärmeschutz ermittelt, die bereits in der Vorplanungsphase eines Gebäudes Anwendung finden können. Wesentlicher Punkt ist dabei die regionale Differenzierung des sommerlichen Wärmeschutzes. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind im Rahmen folgender F+EVorhaben erarbeitet worden: • Untersuchung über Randbedingungen für die Notwendigkeit einer Klimatisierung von Gebäuden, gefördert von der Rud. Otto Meyer - Umweltstiftung • SANIREV, Sanierung von RL T-Anlagen mit hohen Energieverbräuchen, gefördert vom BMBF und Rud . Otto Meyer KG • Energieeinsparverordnung; Untersuchung differenzierter Ansätze zur energetischen Bewertung von Gebäuden mit Anlagen zur Raumluftkonditionierung, gefördert vom BMVBW. Zusammenfassung In der Wärmeschutzverordnung 1995 wird unabhängig vom Errichtungsort, von der Gebäudenutzung und der Bauschwere eines Gebäudes pauschal festgelegt, daß bei Gebäuden mit raumlufttechnischen Anlagen mit Kühlung und/oder bei Gebäuden mit einem fassadenweisen Fensterflächenanteil ~ 50 % das Produkt aus Fensterflächenanteil f, Gesamtenergiedurchlaßgrad g der Verglasung und Abminderungsfaktor z des Sonnenschutzes den Wert von 0,25 nicht überschreiten darf: r. g . z .::: o,2s Detaillierte Gebäudeberechnungen zeigen jedoch erwartungsgemäß: • die Häufigkeit unbehaglich hoher Raumtemperaturen streut bei gleicher Gebäudeausführung stark aufgrund der in Deutschland breit variierenden sommerlichen Außenklimaverhältnisse (z . B. Vergleich Küstenregion/Mittelgebirgslagen - Oberrheingraben) • bereits bei deutlich geringeren fassadenweisen Fensterflächenanteilen als den in der Wärmeschutzverordnung 1995 angesetzten 50 % können Übertemperaturen in unerwünscht hohem Maß vorliegen • die Häufigkeit auftretender Übertemperaturen wird von der Gebäudenutzung, den vorliegenden Innenlasten und der Art bzw. dem Umfang der Gebäudebelüftung und der Gebäudeausführung (Bauschwere) wesentlich beeinflußt. Die hier vorgestellten Berechnungs- und Nachweisverfahren, die im Rahmen einer künftigen Energieeinsparverordnung zum Einsatz kommen sollen, haben folglich die Aufgabe, trotz einer verhältnismäßig einfachen Berechnungsmethodik alle wesentlichen Einflußgrößen bezüglich des sommerlichen Raumklimas zu berücksichtigen. Literatur: [1] Deutscher, P„ Elsberger, M. und Rouve/, L.: Sommerlicher Wärmeschutz - Eine einheitliche Methodik für die Anforderungen an den winterlichen und sommerlichen Wärmeschutz, Teil 1. BAUPHYSIK 22 (2000), H. 2, S. 114-120. [2] DIN EN 832: Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden; Berechnung des Heizenergiebedarfs, Wohngebäude. Deutsche Fassung EN 832 (Dezember 1998). [3] DIN EN ISO 13790 (prEN13790): Wärmetechnisches Verhalten von Gebäuden, Berechnung des Heizenergiebedarfs (Entwurf August 1999). [4] Kolmetz, S. und Rouve/, L.: Einsatzbedingungen für RL T-Anlagen. Arbeitsbericht zum Arbeitspunkt 1.1 des Forschungsvorhabens SANIREV. Techn ische Universität München, (Mai 1996). [5] ISO 13786: Wärmetechn isches Verhalten von Bauteilen - Dynamische thermische Eigenschaften ; Berechnungsverfahren (September 1998). [6] Rouvel, L. und Zimmermann, F.: Ein regelungstechnisches Modell zur Beschreibung des thermisch dynamischen Raumverhaltens . HLH 48 (1997), Nr. 10, 12 und HLH 49 (1998), Nr. 1. [7] Deutscher P.; Elsberger M. und Rouvel L.: Vereinfachte Berechnungsverfahren für den sommerlichen Wärmeschutz sowie Einsatzbedingungen für RL T-Anlagen. Endbericht zum Arbeitspunkt 1.1 des Forschungsvorhabens SANIREV. Technische Universität München, (Februar 1999). [8] Kähne, H. und Wölk, G.: Das digitale Beukenmodell - eine Methode zur Berechnung instationärer Wärmeleitvorgänge . Elektrowärme international 27 (1969) Nr. 7, S. 302/308 . [9] Beuken, D.L.: Wärmeverluste bei periodisch betriebenen Öfen . Dissertation Freiburg 1936. [10] Rouvel, L.: Berechnung des wärmetechnischen Verhaltens von Räumen bei dynamischen Wärmelasten . Brennstoff-Wärme-Kraft 24 (1972), H. 6, s. 245-262. [11] Rouvel, L.: Raumkonditionierung - Wege zum energetisch optimierten Gebäude. Schriftenre ihe der FfE - Band 12. Springer-Verlag, Berlin (1978) . [12] VDI 2078 : Berechnung der Kühllast klimatisierter Räume (VDI-Kühllastregeln), Juli 1996. [13] DIN 4108-2 : 1981-08: Wärmeschutz im Hochbau. 184 P. Deutscher, M. Elsberger, L. Rouvel • Sommerlicher Wärmeschutz veröffentlicht in der Bauphysik: Deutscher P., M. Elsberger L. Rouvel Sommerlicher Wärmeschutz Bauphysik 22 (200), H.2, S.114/120 und H.3, S.178/184 PROF. DR.-ING. HABIL. LOTHAR ROUVEL FACHGEBIET ENERGIETECHNIK UND -VERSORGUNG . THERMISCHE GEBÄUDESIMULATION SÄULINGSTRASSE 4 80686 MÜNCHEN TEL.: 089-576804 [email protected] Sommerlicher Wärmeschutz FAX: 089-5706641 WWW.GEBSIMU.DE Seite 1 von 1 veröffentlicht in Bauphysik 2000 H.2 und H 3
