Daniel Brandl, Thomas Mach, Richard Heimrath
Die Aufarbeitung des derzeitigen publizierten Wissensstandes über thermische Bauteilkondi-tionierung im Sanierungsfall hat deutlich aufgezeigt, dass für das Verständnis der thermischen und hygrischen Vorgänge in thermisch aktivierten Wänden noch zahlreiche Wissensdefizite bestehen. Insbesondere die Beeinflussung der rauminternen thermischen Behaglichkeit durch klimatische Randbedingungen, die Konfiguration des Innenraumes und der Ausbildung der thermischen Anlage entzieht sich bisher weitgehend einer quantitativen Analyse. Im vorliegen-den Kapitel wird auf eben diese Beeinflussung eingegangen. Im Zuge diverser Renovierungs-maßnahmen im Franziskanerkloster im Zentrum von Graz wurde unter anderem ein neues Wärmeverteilsystem installiert. Es handelt sich dabei um in die Wand eingestemmte Heizungs-rohre welche in die äußerst massiven Mauerverbände integriert wurden. Abb. (151) zeigt im linken Bild eine thermografische Aufnahme nach der Inbetriebnahme der thermischen Konditionierung. Anhand der Verteilung des Temperaturniveaus läßt sich die Verlegeform der Heizrohre gut nachvollziehen. Im rechten Bild sind die Verlegeschlitze im Zuge der baulichen Integration dargestellt. Die vollinhaltliche Untersuchung findet sich im Annexbericht 2.5 – 3.5:
Bauteiltemperierung, Konzepte und Simulation, siehe Kapitel 6.3.
Thermographische Aufnahme nach der Inbetriebnahme und Verlegeschlitze im Zuge der Abb. (151)
baulichen Integration. Datenquelle des Bildmaterials: Thermografiebericht Projekt „denkmalaktiv I“
Zielsetzung und Referenzsystem 3.5.1
Das Ziel der durchgeführten Untersuchungen liegt in der Erstellung eines Simulationsmodels zur Abbildung der im Franziskanerkloster umgesetzten Maßnahmen. Im Zentrum der Betracht-ungen liegt das Generieren von Erkenntnissen in Bezug auf die Wirkungsweise derartiger thermischer Massenkonditionierungen. Ein nach Süden gerichteter Raum im zweiten Ober-geschoss des Südtraktes des Franziskanerklosters wird als bauliche Grundlage (Raumgeo-metrie und materielle Durchbildung) für die Gestaltung des Referenzsystems herangezogen.
Abb. (152) zeigt die Lage des Vergleichsraums, der eine Nutzfläche von 26,5 m² und eine Raumhöhe von 3,33 m (Nettovolumen von 88,25 m³) aufweist. Die Außenwand (70 cm) und die Trennwände zu den seitlichen angrenzenden Nachbarräumen sind mit einer Stärke von 38 cm angesetzt. Die Trennwand zum Erschließungsgang variiert zwischen 55 cm und 93 cm.
(a) Auschnitt vom Grundriss des 2. Stockwerks des Südtraktes des Franziskanerkloster Abb. (152)
mit dem für die Untersuchung ausgewählten Vergleichsraum (links) und Außenansicht des Südtrakts (rechts)
Simulationsaufbau und Szenariendefinition 3.5.2
Mit Hilfe der Software Gambit werden die geometrischen Strukturen erzeugt, die Volumen entweder als Festkörper oder als Fluid definiert, die Flächen vordefiniert und die für die Simulation erforderlichen Gitterzellen erzeugt. Die einzelnen Bauteilschichten werden, unter Berücksichtigung der Wärmleitwerte der verschiedenen Materialien, vereinfacht als ein homogener Körper dargestellt. Das geometrische Modell berücksichtigt die Eingangstür des Vergleichsraums, durch die man in den Gang des Klostertrakts gelangt, um in der Simulation den Einfluss der Temperaturen, die in diesem Gang herrschen, miterfassen zu können, ebenso wie das Kastenfenster in der Außenwand als vereinfachtes Modell. Es besteht aus den Fensterrahmen, -gläsern, und dem sich zwischen den zwei Fenstern befindlichen Luftraum. Die Rohrleitungen des Heizsystems bestehen aus einem einfachen Rohr, das von einem fluiden Wärmeträgermedium durchströmt wird.
Für die Untersuchung werden vier verschiedene dreidimensionale Modelle für den Vergleichs-raum erstellt - je eine Geometrie pro Art der Führung der Heizleitungen in der Verlegewand.
Dabei wird grundsätzlich zwischen einer Verlegung des Vor- und des Rücklaufes ausschließ-lich in der Außenwand des Vergleichsraumes (Vertikalkreis) und einer Verlegung des Vorlaufes in der Außenwand und einer Verlegung des Rücklaufes in der Trennwand zum erschließenden Klostergang oder der Klostergangaußenwand (Horizontalkreis) unterschieden. Diese beiden Verlegesysteme werden in einer Ausprägung rein horizontal geführt oder in einer zweiten Ausprägung zusätzlich in vertikalen Schleifen verzogen um die Länge der wärmeabgebenden Heizrohre zu vergrößern. Aus Kombinationen dieser Verlegeformen ergeben sich die in Abb.
(153) dargestelten vier Einbauvarianten der Heizleitungen. Der Rohrdurchmesser ist bei allen varianten mit 0,02 m angesetzt.
Die so zusammengesetzten Einbauvarianten werden in der Folge einer Szenarienbewertung unterzogen. Die Kombination der verschiedenen Einbauvarianten mit verschiedenen Massen-strömen und Temperaturniveaus im Heizrohr für Vor- und Rücklauf, verschiedenen Außen-temperaturen und verschiedenen Wandmaterialien führt zu dem in Abb. (154) dargestellten Szenarienbaum. Das Ziel dieser Auswertungen liegt im Aufzeigen der unterschiedlichen Sensitivitäten dieser Parameter auf das Simulationsergebnis.
Einbauvariante 1 (Horizontalschleife)
In der ersten Variante wird für den Simulationsraum die zum Raum liegende Fläche der Außen-wand des Raums durch den Einbau einer Rohrleitung als Heizfläche aktiviert. Die Rücklauf-leitung verläuft an der Nordfassade, die nicht im Simulationsmodell enthalten ist.
Auslegungsdaten: Rohrlänge Vorlauf: 5,16 m; Rohrlänge Rücklauf: 0,00 m
Einbauvariante 2 (Vertikalschleife)
Die nächste Variante der Rohrleitungsverlegung sieht zusätzlich zu der einen Leitung wie in Variante 1 eine weitere Leitung vor. In der oberen Leitung wird der Warmwasser-Vorlauf geführt, darunter befindet sich die Rücklaufleitung zum Pufferspeicher des Heizsystems.
Auslegungsdaten: Rohrlänge Vorlauf 5,16 m; Rohrlänge Rücklauf: 5,16 m
Einbauvariante 3 (Horizontalschleife mit Schlaufen)
In dieser Variante wird die Vorlaufleitung weiter variiert. Um die Fläche zum Wärmeaustausch in der Wand zu vergrößern, wird die Leitung in der Wand mehrmals umgelenkt. Die Rücklauf-leitung bleibt dabei im Vergleich zu Einbauvariante 2 unverändert.
Auslegungsdaten: Rohrlänge Vorlauf: 5,16 m; Rohrlänge Rücklauf: 11,83 m
Einbauvariante 4 (Vertikalschleife mit Schlaufen)
In der vierten Variante wird eine weitere Fläche im Raum als Heizfläche aktiviert. Eine weitere Rohrleitung ist in die gangseitig orientierte Mauer integriert.
Auslegungsdaten: Rohrlänge Vorlauf: 11,83 m; Rohrlänge Rücklauf: 7,23 m
schematische Darstellung der Einbauvarianten der Bauteilheizung Abb. (153)
Übersicht der Parameter und der Einbauvarianten der Bauteilheizung in einem
1-01 Vorlauf (0.32 [m²]) 0.5 [m/s] -10 [°C] 60 [°C] 45 [°C] Mischmauerwerk feucht
1-02 1 [m/s] -10 [°C] 60 [°C] 45 [°C] Mischmauerwerk feucht
1-03 -20 [°C]
2-01 Vor u. Rücklauf (0.64 [m²]) 0.5 [m/s] -10 [°C] 60 [°C] 45 [°C] Mischmauerwerk feucht
2-02 1 [m/s] -10 [°C] 60 [°C] 45 [°C] Mischmauerwerk feucht
2-03 -20 [°C]
3-01 Vorlauf m. Schleife (1.06 [m²]) 0.5 [m/s] -10 [°C] 60 [°C] 45 [°C] Mischmauerwerk feucht
3-02 1 [m/s] -10 [°C] 60 [°C] 45 [°C] Mischmauerwerk feucht
3-03 -20 [°C]
3-04 0 [°C]
3-05 45 [°C] 40 [°C]
3-06 33 [°C] 28 [°C]
3-07 Vorlauf m. Schleife (1.06 [m²]) 0.5 [m/s] -10 [°C] 60 [°C] 45 [°C] Ziegelmauer
3-08 -20 [°C] 45 [°C] 40 [°C]
3-09 0 [°C] 45 [°C] 40 [°C]
3-10 -20 [°C] 33 [°C] 28 [°C]
3-12 0 [°C] 33 [°C] 28 [°C]
Einbauvariante 4 (Vertikalschleife mit Schlaufen)
4-01 Aktivierung 2. Wand (1.19 [m²] 0.5 [m/s] -10 [°C] 60 [°C] 45 [°C] Mischmauerwerk feucht
4-02 1 [m/s] -10 [°C] 60 [°C] 45 [°C] Mischmauerwerk feucht
4-03 -20 [°C]
4-04 0 [°C]
4-05 45 [°C] 40 [°C]
4-06 33 [°C] 28 [°C]
4-07 Aktivierung 2. Wand (1.19 [m²] 0.5 [m/s] -10 [°C] 60 [°C] 45 [°C] Ziegelmauer
4-08 -20 [°C] 45 [°C] 40 [°C]
4-09 0 [°C] 45 [°C] 40 [°C]
4-10 -20 [°C] 33 [°C] 28 [°C]
4-12 0 [°C] 33 [°C] 28 [°C]
Vor u. Rücklauf (0.64 [m²]) 0.5 [m/s] Mischmauerwerk feucht
Vorlauf (0.32 [m²]) 0.5 [m/s] Mischmauerwerk feucht
Einbauvariante 2 (Vertikalschleife)
Voruntersuchung 3.5.3
Bevor man die dreidimensionale Untersuchung der Bauteilheizung durchführt liefert eine ein-fache Voruntersuchung erste Erkenntnisse über das Verhalten der Luftströmungen im Wohn-raum. In der Voruntersuchung wurden zweidimensionale Gitter verwendet, die einmal den Vertikalschnitt im Bereich des Raums mit, und ohne Fenster darstellen. Randbedingungen sind in diesem Fall eine Außentemperatur von -12 [°C], und die Temperaturen des Heizmediums im Heizsystem (Vorlauftemp. = 60 [°C], Rücklauftemp. = 45 [°C]) - Abb. (155).
Ausschnitt aus der 2D-Simulation des RaumsS2.08 im Franziskanerkloster mit integrierter Abb. (155)
Bauteilheizung. Ins Mauerwerk sind zwei Rohrleitungen integriert, die von Wasser mit unterschiedlichenTemperaturen durchströmt werden
Die ersten Untersuchungen ergaben eine zu erwartende Luftzirkulation, die im Bereich zur Gebäudeaußenhülle hin, aber vor allem im Fensterbereich und in der Region, in der die Bauteilheizung integriert ist, am stärksten ausgeprägt ist. Dabei war festzustellen, dass an der Kante der Fensterbank die kalte Luft vom Fensterbereich kommend, und die durch die Bauteil-heizung erwärmte Luft zusammenstoßen, sich vermischt, und in den Raum strömt. Je höher die Heizleistung (z.B. zwei statt nur einem Heizrohr in der Wand verbaut) ist, desto höher ist dabei die Temperatur dieses Luftstroms, und umso weiter strömt dieser in die Tiefe des Raums.
Durch die kontinuierliche Zirkulation der Luft im Raum ist die Temperatur beinahe homogen verteilt. Nur im Randbereich (Fenster, Gebäudeaußenhülle) sind Vergleichsweise große Differenzen zu feststellbar. Die Temperaturen waren allerdings sehr niedrig, was auf das geringe Verhältnis von Heizfläche zur Fläche der Gebäudeaußenhülle zurückzuführen ist.
Darum müssen detailliertere Untersuchungen in einem dreidimensionalen Simulationsmodell durchgeführt werden. Außerdem besitzt die Außenhülle nur einen Anteil an Fensterfläche, was in der 2D-Analyse nicht berücksichtigt wurde. Eine weitere Erkenntnis aus der Vorunter-suchung ist, dass die detaillierte Modellierung des Wandaufbaus nur wenig Einfluss auf die Temperatur- und Strömungsverläufe hat.
Erstellung der Simulationsmodelle 3.5.4
Für die spätere Untersuchung sollen nun vier verschiedene dreidimensionale Modelle für den Raum S2.08 erstellt werden (eine Geometrie pro Einbauvariante Abb. (153)). Diese werden mit Hilfe der Software Gambit (siehe Kapitel 6.4) aufgebaut. In Gambit werden die geometrischen Strukturen erzeugt, die Volumen entweder als Festkörper oder als Fluid definiert, die Flächen werden vordefiniert, und vor allem werden hier die für die Simulation erforderlichen Gitterzellen erzeugt. Die Modelle bestehen aus folgender Grundstruktur:
Boden und Decke, deren Abmessungen aus den CAD-Zeichnungen des Franziskanerklosters entnommen wurden.
Die restlichen Umhüllungen des Raums, ebenfalls laut den CAD- Skizzen. Mauerwerk, Verputz, usw. werden vereinfacht als ein homogener Körper dargestellt, da es für die folgenden Untersuchungen nur eine sehr geringe Rolle spielt. Man muss nur beachten, die Werte für die Wärmeleitung korrekt anzugeben (Berücksichtigung der Schichten und Wärmleitwerte der verschiedenen Materialien).
Auf Details wie Fußboden, oder andere zusätzliche Installationen an Decke, Boden und den Wänden wird im Modell ebenfalls nicht näher eingegangen, da dies voraussichtlich keinen, oder nur einen sehr geringen Einfluss auf das
Simulationsergebnis haben wird. Die Veränderung der Wärmeleitung kann hier ebenfalls in die jeweiligen Wände miteinberechnet werden.
Mitberücksichtigt wird im Modell die Tür, durch die man in den Gang des Klostertrakts gelangt, um in der Simulation den Einfluss der Temperaturen, die in diesem Gang herrschen, miterfassen zu können.
Weiter ist auch das Doppelfassadenfenster im Raum als vereinfachtes Modell in der Geometrie verankert. Es besteht aus den Fensterrahmen, -gläsern, und dem sich zwischen den zwei Fenstern befindlichen Luftraum.
Die Rohrleitungen des Heizsystems bestehen aus einem einfachen Rohr, das von dem Heizfluid (Wasser vom Solarthermie-Heizsystem) durchströmt wird.
Randbedingungen
Grundsätzlich werden alle Wände als adiabat angesetzt, d.h. unter der Annahme, dass alle umliegenden Räume annähernd gleich beheizt werden, verliert man keine Wärme durch die Wände. Es gibt allerdings zwei Ausnahmen:
Die erste Ausnahme ist die Wand, die zum Gang orientiert ist. An dieser Wand wird als Randbedingung eine mittlere Gangtemperatur von 16 [°C] für alle Simulationen
angenommen.
Die zweite Ausnahme ist die Wand, die den Raum vor den Außentemperaturen schützen soll. Hier wird für die anstehenden Simulationen ebenfalls ein gemittelter Wert für die Temperatur eingesetzt, der je nach der klimatischen Gegebenheit im Untersuchungsfall variieren kann.
Zusätzlich können noch die Wassereintrittstemperatur, und die Massenströme für jede Rohr-leitung separat eingestellt werden, um eine weitere Variable ins System einzubinden, und somit die dem Raum zugeführte Heizleistung zu ändern.
W W W
Heiz
m cp T
Q
QHeiz…....Zur Verfügung stehende Wärme, um den Wohnraum zu beheizen [W]
mW……...Massenstrom des Heizmediums (Wasser) [kg/s]
cpW……..spezifische Wärmkapazität [J/(kg*K)]
TW...Temperaturdifferenz des Heizmediums (Von Ein- Austritt) [K]
Heiz Heiz
Heiz
Heiz
k A T
Q
QHeiz….dem Raum zugeführte Heizleistung [W]
kHeiz…..Wärmedurchgangszahl für die Heizfläche [W/(m²*K)]
AHeiz…..Heizfläche [m²]
THeiz…Temperaturdifferenz zwischen Raum und Umgebung Energiebilanz für den Raum sieht wie folgt aus:
,
0
QV,Gang……Wärmeverluste zum Gang [W]
QV,Aussen….Wärmeverluste nach Außen [W]
UGang...Wärmedurchgangszahl der Mauer Gangseitig [W/(m²*K)]
UAussen...Wärmedurchgangszahl der Gebäudeaußenhülle [W/(m²*K)]
AGang...Wärmedurchgangsfläche der Mauer Gangseitig [m²]
AAussen...Wärmedurchgangsfläche der Gebäudeaußenhülle [m²]
TRaum…….Temperatur im Simulationsraum [K]
TGang……..Temperatur im Gang [K]
TAussen……Außentemperatur [K]
Simulationssoftware und Berechnungsmodelle
Es soll für den Raum S2.08 mit integrierter Bauteilheizung die Parameter, welche die Behaglichkeit im Raum beschreiben, durch die CFD-Simulation ermittelt werden. Dafür werden in der Simulation folgende Berechnungsmodelle verwendet:
Zur Berechnung der Strömungsgleichungen (Massenerhaltung, Impulsgleichung, Turbulenz) wird das k- -realizable Modell (ANSYS, Inc. (a), 2011) verwendet. Dieses ist für komplexe Grenzschichtströmungen mit hohen Druckgradienten und leichtem Drall gut geeignet. Für die Untersuchungen im Rahmen dieser Arbeit ist dieses Modell gut geeignet.
Für die Ermittlung der Temperaturverläufe ist die Gleichung für Energieerhaltung in der Simulation aktiviert.
Zusätzlich soll auch noch der Einfluss der Wärmestrahlung auf Temperatur und Strömung im Raum berücksichtigt werden. Dafür wird das Discrete Ordinate (DO) Modell (ANSYS, Inc. (a), 2011) im Wellenlängenbereich der Wärmestrahlung eingesetzt.
Gitterprüfung
Bevor man mit den eigentlichen Simulationen für die Parameter- und Variantenstudie beginnen kann, muss zuerst noch die Qualität des erzeugten Gittermodells geprüft werden. Für die Gitterprüfung wurden drei unterschiedlich fein aufgelöste Gittermodelle erzeugt. Ausgangs-basis war ein Gitter mit ca. 500.000 Zellen (Gitter-Grob). Dieses Gitter wurde dann weiter verfeinert. Alle Zellen die den Luftraum darstellen wurden gleichmäßig verkleinert. Die Anzahl der Gitterzellen für dieses Gitter (Gitter-Fein) ist auf ca. 4 Mio. Zellen angestiegen. Danach wurde noch einmal weiter verfeinert. Hierbei wurden jedoch nur mehr Zellen adaptiert, die einen bestimmten Grenzwert von einem Geschwindigkeitsgradienten überschritten, weil an-sonsten das Gitter (Gitter-Feiner) mit den vorhandenen Rechnerkapazitäten nicht mehr für die Simulation geeignet gewesen wäre. Das weiter verfeinerte Gitter besteht aus etwa. 8 Mio.
Zellen. Für diese drei Gittervarianten wurde nun eine Gitter-Analyse durchgeführt, um zu über-prüfen, welches Gitter man am besten für die anstehenden Untersuchungen verwenden soll.
Um die Ergebnisse vergleichen zu können wurden im Modell Kontrollflächen und Linien angelegt.
An wichtigen Positionen (z.B. vor dem Fenstersims) wurden zusätzlich noch Kontrolllinien kreiert, um an diesen Stellen den genauen Verlauf von Temperatur und Geschwindigkeit in den verschiedenen Gittern verfolgen und vergleichen zu können (Abb. (156)). Hierbei ist zu erkennen, dass die Temperaturen für das feine und das feinere Gitter gut übereinstimmen. Im groben Gitter sieht der Verlauf der Temperatur, dem der beiden anderen zwar ähnlich, aber die Werte sind um mindestens 0.5 [°C] niedriger. Bei den Geschwindigkeitsverläufen ist generell eine höhere Abweichung zu verzeichnen. Die Verläufe vom Gitter Fein und Feiner liegen aber auch hier näher beieinander.
Aus der Gitteranalyse geht hervor, dass das Gitter Grob nicht fein genug aufgelöst, und somit für weitere Simulationen nicht geeignet ist. Die beiden anderen Gitter können für eine weitere Studie verwendet werden. Die Wahl fällt hierbei auf das Gitter Fein, da die Zellenanzahl im Vergleich zu Gitter Feiner deutlich geringer ist, und damit auch der Rechenaufwand um ein Vielfaches niedriger sein wird.
In den Diagrammen ist der Temperaturverlauf (a) in 1 [m] Abstand vom Boden entlang Abb. (156)
der Raumtiefe,(b) nahe beim Fenstersims (Abstand = 0.5 [m]) über die Raumhöhe im Simulationsraum dargestellt. Hier werden jeweils die drei unterschiedlichen Gitter verglichen.