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Titelaufnahme

Titel
Design of a solar façade solution with an integrated sorption collector for the systemic retrofit of the existing office buildings / Stefano Avesani
VerfasserAvesani, Stefano
Begutachter / BegutachterinStreicher, Wolfgang ; Baggio, Paolo
Betreuer / BetreuerinStreicher, Wolfgang
ErschienenInnsbruck, April 2016
Umfang210 Seiten : Illustrationen
HochschulschriftUniversität Innsbruck, Univ., Dissertation, 2016
Anmerkung
Zusammenfassung in deutscher Sprache
Datum der AbgabeApril 2016
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Sorptionkollektor / Solarfacade / Fassadeintegrierte Systeme / Sanierung der Gebaude im Bestand / Doppelfassade
Schlagwörter (EN)Sorption collector / Solar facade / Facade integration / Retrofit of existing building / Double-skin facade
Schlagwörter (GND)Fassade / Sonnenkollektor / Kühlung
URNurn:nbn:at:at-ubi:1-5520 Persistent Identifier (URN)
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Design of a solar façade solution with an integrated sorption collector for the systemic retrofit of the existing office buildings [20.76 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Die Reduzierung des Gebäudeenergiebedarfs und die Energieerzeugung aus erneuerbaren Energiequellen (z.B. die Solarenergie) sind die beiden Hauptkriterien zur Erreichung des „Fast-Nullenergie-Gebäudestandards“, der ab 2019 von der europäischen Richtlinie 2010/31 für Neubauten gefordert wird. Dieser Ansatz sollte ebenso bei der Sanierung des Gebäudebestandes verfolgt werden. Es besteht jedoch in diesem Bereich ein Mangel an technischen Lösungen, die als Solarfassadensysteme eingesetzt werden können und somit kostengünstig, leicht zu installieren und instandzuhalten wären. Im Bereich des Bürogebäudes und der Solarthermie, ist der geringere Wärmeverbrauch für Heizung und Warmwasser ein Nachteil der Nutzung des Solarenergiesystemes. Allerdings sind Bürogebäude aufgrund von hohen inneren Wärmelasten und einem hohen Anteil an verglasten Flächen durch eine relevante Kühllast gekennzeichnet. Als Lösung dafür, wurden in den letzten Jahrzehnten Solarkühlsysteme empfohlen, die dem Gebäude durch die Umwandlung von Wärme in Kühlleistung, Kühlenergie zuführen. Allerdings ist das Konzept, aufgrund der hohen Investitionskosten und der Komplexität des gesamten Systems, eine Nischenlösung geblieben. In diesem Zusammenhang scheint die patentierte Technologie der Sorptionsmodule und deren direkte Integration in einen Solarkollektor eine vielversprechende Lösung zu sein, vor allem aufgrund ihres vereinfachten Solarkühlsystems. Das Konzept des Sorptionsmoduls hat sich bereits für integrierte Flachkollektoren bei der Installation auf Dachflächen bewährt. Die Integration des Moduls in die Fassade ist bis jetzt jedoch noch nicht untersucht worden: sein Hauptvorteil könnte die weitere Vereinfachung des Wärmeübertragungskreislauf/Flüssigkeitskreislaufs, durch die Nähe der Energieerzeugung (Fassadenkollektor) zu den Wärmelasten (Innenraum) sein.

Die vorliegende Arbeit hat die Bewertung fassadenintegrierter Sorptionskollektoren, als eine Systemlösung für die Sanierung von bestehenden Gebäuden, zum Inhalt. Die beiden wesentlichen Fragestellungen sind, wo und wie dieses Retrofit-Kit sinnvoll eingesetzt werden kann und welche Ausführung für die interdisziplinären und sicherheitstechnischen Anforderungen am besten geeignet ist. In einem ersten Schritt wurde das Konzept des Sorptionsmoduls in Bezug auf seine Integrierbarkeit in das Gebäudeenergiesystem analysiert. Dafür wurde ein luftbasiertes Konzept des Sorptionskollektors entwickelt und so ausgearbeitet, dass es direkt in den opaken Teil der vorgehängten Fassade integriert werden kann. Neben der Optimierung der Gesamtenergieeffizienz des Systems und der Kostenwirksamkeit des Endprodukts, wurde der Entwicklungsprozess vor allem beeinflusst von der Notwendigkeit die technischen Anforderungen der Bauproduktenverordnung für die Komponente als Teil des Fassadensystems zu erfüllen. Eine Testserie zur Energieleistung des Sorptionskollektors stand bereits als Stand der Technik zur Verfügung, durchgeführt als Nachweis für die Leistung des Kollektorbetriebs und zur Validierung des Kollektormodels. Deshalb konzentrierte sich eine im Rahhmen dieser Arbeit durchgeführte Testreihe auf die Messung der thermischen Eigenschaften der transparenten Doppelfassade. Ziel war das entwickelte numerische Modell zu verifizieren. Darüber hinaus wurde die energetische Leistung des Sorptionskollektors mit dem Energiebedarf eines Referenzraums gekoppelt und anhand von dynamischen Simulationen für mehrere Standorte, Ausrichtungen und Fassadenausführungen bewertet. Abschließend wurde die Wirtschaftlichkeit des fassadenintegrierten Sorptionskollektors ausgewertet.

Die Kühlleistung des Sorptionskollektors ist besonders für west- und ostausgerichtete Gebäudefassaden von Bedeutung. Der Kühlbedarf, der von einem konventionellen System gedeckt werden muss, wird dank der solaraktiven Kühlung mit einem solaren Deckungsgrad (SFcool) zwischen 15 % und 40 % deutlich reduziert, abhängig vom Energiebedarf und von der Kollektorausführung. Die jahreszeitenbedingte Leistungszahl der Energieerzeugung und -lieferung liegt zwischen 5 und 20, abhängig von der Lastanpassung (Fassadenausrichtung und Klima). Wenn die Sorptionskollektorwirkleistung ausgeschöpft ist, bläst das fassadenintegrierte Lüftungssystem frische Außenluft in die Innenräume. Es liefert so neben einer mechanischen Lüftung eine Art „passive Kühlung“. Der gesamte „Solare Deckungsgrad“ (aktive und passive Kühlleistung), steigt hierbei von rund 50 % in Rom auf rund 95 % in Stockholm für einen energieeffizienten Büroraum. Der Sorptionskollektor trägt nicht wesentlich zum Heizenergiebedarf bei. Sorptionskollektoren, die auf einer vertikalen Ebene in eine südorientierte Fassade integriert werden, haben in allen Klimazonen gegenüber anderen vertikalen Ausrichtungen eine höhere Solarwärmeerzeugung. Sie ist aber dennoch mit einem Absolutwert von unter 20 kWh/a sehr niedrig. Ökonomische Überlegungen zur Produktentwicklung zeigen die Notwendigkeit weitere Komponenten und Funktionen in den fassadenintegrierten Kollektor zu integrieren, und damit neben den Energieeinsparungen den wirtschaftlichen Nutzen zu erhöhen. Generell sind die zusätzlichen möglichen Investitionskosten für einen Kollektor, errechnet aus der Einsparung an Betriebskosten, weniger als 100 € pro Modul.

Zusammenfassung (Englisch)

The reduction of the building energy demand as well as the generation of energy from renewable energy sources (such as solar energy) are the two main paths towards the achievement of the Net-Zero-Energy-Building goal, as required by the European directive 2010/31 for new buildings. In the retrofit sector this approach is also worth to be applied. Nevertheless, there is a lack of standardised solar façade solutions designed with a systemic approach, able to be cost-effective, easy to install and to maintain. Focussing on the office sector and on solar thermal collectors, a drawback in using solar thermal energy is the lack of relevant domestic hot weater and space heating demand, also in cold climates. On the contrary, office buildings are characterised by relevant cooling loads, due to the presence of high internal gains and highly glazed surfaces. Hence, one studied technology to generate cooling from the thermal energy is the solar cooling systems. However, the concept has remained a niche solution because of the high capital costs and complexity of the overall energy system layout. In this framework, the patented technology of the sorption tube and the direct integration into a solar collector seems to be a promising solution, mainly thanks to the increased simplicity in the energy system. The sorption collector concept has already been proven for a flat plate sorption collector for roof installations. On the contrary, the façade integration has not been analysed until now. Its main advantage could be the further simplification of the heat transfer medium circuits thanks to the proximity of energy generation (façade collector) and loads (indoor room).

Hence, the work here presented aims at assessing the façade-integrated sorption collector as a systemic solution for the retrofit of exiting high-rise office building. The two main research questions are where (and how) this retrofit solution makes sense and which design is the most suitable from an interdisciplinary point of view. Firstly, the most suitable sorption collector integration concept has been defined. An air-based concept of the sorption collector has been conceived and designed to be directly integrated into the opaque part of a curtain wall. As part of the façade system, the construction product requirements besides the system energy performance and the cost-effectiveness of the final layout have driven the system design. A numerical model was developed that allows analysing the coupled thermal behaviour of the whole energy system. The single components heat transfer, on the contrary, has been calculated thanks to a finite element model. Furthermore, thanks to the experimental data available in literature on the sorption collector energy performance and to the measurement of the thermal behaviour of the façade transparent part, the numerical models have been validated. The energy coupling between the sorption collector and a reference office room has been assessed for several locations, orientations and façade configurations. Finally, an economic analysis of the façade-integrated sorption collector has been evaluated.

The cooling demand to be covered by the backup system is significantly reduced, thanks to the solar active cooling, even if it can be distributed only when there is not direct radiation on the collector plane. The performances indicators depend mainly on the energy demand and on the collector size. The achievable solar fraction in cooling are between 15 % and 40 %. The seasonal energy efficiency ratio lies between 5 and 20. When the sorption collector cooling power is not available, the façade-integrated system blows fresh outdoor air to the indoor environment, providing besides ventilation a kind of “passive cooling” which improves the collector performances. The overall solar fraction in cooling (active and passive cooling distribution), in fact, rises from around 50 % in Rome to around 95 % in Stockholm for an energy efficient office room. On the other hand, the sorption collector does not contribute significantly to the space heating demand. Sorption collectors integrated in southern oriented façades on a vertical plane have a solar heating generation higher than the other vertical orientations for all climates, but still very low in absolute value (below 20 kWh/y per office). The economic analysis behind the product development shows the need to integrate more components and functions to the façade-integrated collector, adding further economic advantages besides the energy savings. In fact, the values of the possible additional investment available for the collector calculated only from the savings of the energy costs, are well below 100 €/module.