Titelaufnahme

Titel
Gekoppelte lichttechnische und thermische Methoden zur Ganzjahresbewertung von Fassadensystemen für die Planungspraxis
VerfasserWerner, Matthias
Betreuer / BetreuerinFeist, Wolfgang
Erschienen2017
HochschulschriftInnsbruck, Univ., Diss., 2017
Anmerkung
Arbeit an der Bibliothek noch nicht eingelangt - Daten nicht geprüft
SpracheDeutsch
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Fassade / gekoppelte Simulation / Tageslicht / Heiz- und Kühlbedarf / Komfort / vereinfachte Algorithmen / software / Bauphysik / integrale Planung
Schlagwörter (EN)facade / coupled simulation / daylight / heating- and cooling demand / comfort / simplified algorithm / software / building physics / integral design
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Zusammenfassung (Deutsch)

Die Fassadengestaltung und -ausführung beeinflusst maßgeblich den Gesamtenergiebedarf eines Gebäudes. Neben den Transmissions- und Lüftungswärmeverlusten über die Gebäudehülle bestimmen die solaren Einträge über die Fassadenöffnungen den Heizwärme- bzw. Kühlbedarf. Des Weiteren wird über die transparenten Fassadenanteile der Ausblick und die Tageslichtversorgung sichergestellt, was zum einen aufgrund psychophysiologischer Gesichtspunkte vorteilhaft ist, und zum anderen den Kunstlichtbedarf reduziert. Dieser verursacht einen signifikanten Strombedarf und muss im Falle einer Überhitzung des Gebäudes zusätzlich herausgekühlt werden. Systeme zum Blend- bzw. Sonnenschutz greifen in diese Wechselwirkung direkt ein und beeinflussen somit unmittelbar den Gesamtenergiebedarf eines Gebäudes. Zur Abbildung dieser Wechselwirkungen wird sowohl eine gekoppelte Tageslicht-, Kunstlicht- als auch thermische Gebäudesimulation notwendig, die jeweils ein hohes Fachwissen, Einarbeitungsaufwand und zum Teil lange Berechnungszeiten erfordern. Aufgrund dieser Herausforderungen und das Fehlen von geeigneter vereinfachter Software findet in der Praxis und vor allem in der frühen Planungsphase, in der das bauphysikalische Verhalten festgelegt wird, üblicherweise keine integrale Optimierung der Fassade statt.

Zur Abbildung der beschriebenen Wechselwirkungen wurde ein lichttechnisches und thermisches im Zeitschritt gekoppeltes Berechnungsverfahren entwickelt, welches eine unmittelbare detaillierte Ergebnisdarstellung in Bezug auf Energieeffizienz und Komfortparameter von einem gesamten Betrachtungsjahr ermöglicht. Basierend auf stündlichen Klimadatensätzen und vorberechneten Tageslichtfaktoren wird der Tageslichteintrag auch für komplexe Fassadensysteme (z.B. Dreischeibenwärmeschutzverglasung mit Tageslichtumlenklamellen) abhängig von Lamellenposition und -stellung für den jeweiligen Standort und die gewählte Fassadenausrichtung simuliert. Die Auswirkungen des resultierenden Kunstlichtbedarfs als interne Last und die winkelabhängigen solaren Einträge über das Fassadensystem, verbunden mit dessen Steuerung, können mithilfe eines dynamischen Gebäudemodells bezüglich der sich einstellenden Innenraumtemperaturen bzw. des Heiz- und Kühlbedarfs evaluiert werden. Dabei erlaubt der modulare Aufbau der Methodik eine Integration von beliebigen Fassadensystemen (BSDF). Mittels Messungen anhand eines Fassadenaußenprüfstandes wurde die Genauigkeit dieses Tageslichtberechnungsverfahren nachgewiesen. Ebenfalls zeigen die entwickelten vereinfachten Ansätze im Vergleich zu den genauesten verfügbaren Simulationsverfahren geringere Abweichungen als 15%. Diese Methodik führte sowohl zu einem Forschungswerkzeug, zur Bewertung und Entwicklung von neuen Fassadensystemen und Steuerungsstrategien, als auch zu einer frei nutzbaren Webanwendung (http://www.dalec.net). Dieses Online-Tool ermöglicht, Gebäudeplanern mit sehr kurzen Simulationszeiten (kürzer als eine Sekunde für einen Raum) und wenig Eingabeaufwand integrale Fassadenlösungen bereits in der frühen Planungsphase primärenergetisch und komforttechnisch (visuell und thermisch) zu untersuchen und zu optimieren.

Zusätzlich wurden mithilfe des stündlichen Tageslichtberechnungsverfahrens monatsbasierte Verfahren entwickelt, die in stationäre thermische Berechnungsprogramme integriert werden können und die Bestimmung des Tageslichteintrages und die notwendige Kunstlichtzuschaltung auch von komplexen Fassadensystem ermöglichen.

Des Weiteren wurden basierend auf dem integralen stündlichen Berechnungsverfahren mithilfe von systematischer Variation der Fensterflächen und Verschattungs- bzw. Lichtlenksystemen an über 3.000 weltweit verteilten Standorten Fassadenplanungsempfehlungen für Bürogebäude mit Passivhaus-Standard und sehr guter Gebäudetechnik (Wärmepumpe, LED-Kunstlichtsystem, ...) abgeleitet. Es kann gezeigt werden, dass ein integraler Planungsansatz (Minimierung des Gesamtprimärenergiebedarfs für Heizung, Kühlung und Kunstlicht) im Allgemeinen deutlich größere Fensterflächen im Vergleich zu rein thermisch (Minimierung des Gesamtprimärenergiebedarfs aus Heizung und Kühlung) optimierten Fassadenlösungen vorsieht. Abhängig vom Standort und der Fassadenausrichtungen können durch die integrale Planung Einsparungen bezogen auf den Gesamtprimärenergiebedarf von bis zu 40% erzielt werden.

Zusammenfassung (Englisch)

The façade design and construction significantly influences the total energy demand of a building. The transmission and ventilation losses across the envelope as well as the solar gains, transmitted by the fenestration, also define the heating and cooling demand. Furthermore, the transparent parts ensures the outlook and determine the daylight supply, which on the one hand is advantageous on psychophysiological aspects and on the other hand reduces the artificial light demand. The artificial light causes a significant electricity demand and has to be cooled down in case of overheating situations. Glare and sun protection intervene directly both the solar gain and daylight input and therefore, they influence again the heating, cooling and artificial light demand. In order to detect these effects, a daylight-, artificial light- and thermal simulation are necessary, but require a high level of knowledge as well as an enormous preparatory and computational effort. Due to these challenges and missing of practical software a combined analysis is usually not worked out in practice and especially not in the early design phase in which the building physics performance is defined.

Due to the consideration of the mentioned interactions, a new coupled lighting and thermal simulation method is developed. This calculation routine allows a detailed analysis of the energy demand and comfort aspects for an entire year. Based on hourly climate data and pre-calculated daylight factors, the daylight input can be simulated and the glare situation can be detected also for complex fenestration systems (CFS, e.g. glazing with daylight redirection systems). The resulting artificial light demand as an internal load and the angle-dependent solar gains through the façade system are inputs for a dynamic building simulation model and can be evaluated in terms of the heating and cooling demand or internal temperature. The modular approach of the method allows an integration of any further facade systems (BSDF). The accuracy of the daylight calculation method was verified with experimental data in a façade test facility. Furthermore, comparisons of the developed algorithms with other state-of-the-art methods show deviations less than 15%. This integral method led to a research tool, which allows the evaluation and development of new façade systems and control strategies, and to a free web application (http://www.dalec.net). Due to very short simulation times (less than one second) and little input effort, this web tool allows building designers to investigate and optimize integral façade solutions in terms of energy efficiency and comfort (visual and thermal) aspects. This holistic approach facilitates and accelerates the design of sustainable and energy-efficient building for new, as well as for refurbished buildings.

In addition, with the help of the hourly daylight calculation method, new simplified monthly-based methods were developed, which enable the determination of the daylight input and the artificial light demand of complex fenestration systems in stationary thermal simulation software.

Furthermore, based on the new developed integrated simulation method, façade design recommendations are derived for office buildings in passive house standard with an advanced building technology (heat pump, LED lighting, ...) with the help of parametric studies of window size and CFSs for more than 3.000 globally distributed locations. The integral design approach (minimization of heating, cooling and artificial light) leads to significantly larger window areas and different façade systems compared to only thermal (minimization of heating and cooling) based optimized façade solutions. This enables, depending on region and façade orientation, total primary energy savings up to 40%.