Bachelorarbeit
Energiebilanzierung eines Raumes mit fluiddurchströmten Glasfassadenelementen
Prüfer:
Technische Universität München
Zentrum für energieeffizientes und nachhaltiges Planen und Bauen Prof. Dr.-Ing. Werner Lang
Technische Universität München Lehrstuhl für Thermodynamik Prof. Dr.-Ing. Thomas Sattelmayer Prof. Wolfgang Polifke, Ph. D.
Betreuer:
Dipl.-Ing. (FH) M.Arch. Jochen Stopper (ENPB)
Dr.-Ing. Markus Spinnler (Lehrstuhl für Thermodynamik) Dr. Daniel Gstöhl (Universität Liechtenstein)
Autor:
Felix Böing (3608271) Abgabedatum:
6. März 2013
Abstract
Fluiddurchströmte Glasfassadenelemente (kurz: ‚Fluidglas‘) eröffnen vielfältige Möglichkeiten zur Steigerung der Energieeffizient moderner Gebäudefassaden. Durch die zwei in der Verglasung integrierten färbbaren Fluidschichten lässt sich eine aktive Energietransmissionskontrolle realisieren. Das Ziel der Verwendung von Fluidglas ist die Reduktion der Komponenten Heizung, Kühlsystem, Verschattungssystem und Solarkollektor auf ein Element: das Fluidglas.
Mit dieser Arbeit sollen wesentliche Erkenntnisse in Hinblick auf die Energieeinsparungspotentiale, die sich durch eine Fluidglas-Fassade im Vergleich zu herkömmlichen Fassaden ergeben, gewonnen werden. Zuvor wird jedoch geklärt, inwieweit sich die thermische Behaglichkeit in einem Standard-Büroraum mit Fluidglas-Fassade an den Standorten München und Dubai unter Extrembedingungen gewährleisten lässt. Die durchgeführten Simulationen und deren Ergebnisse lassen Schlüsse auf entscheidende Verbesserungspotentiale des aktuellen Fluidglas-Aufbaus zu.
Die methodische Vorgehensweise sieht zunächst die Erstellung einer Leistungsbilanz über den zu simulierenden Standard-Büroraum vor. Neben den Ein- und Austrägen, die aufgrund von Raumnutzung und Umgebungsbedingungen zu erwarten sind, ist darin das Energiebilanzmodell des Fluidglases abgebildet. Während in einem ersten Schritt untersucht wird, ob die Leistungsmerkmale des Fluidglases zur Raumtemperierung ausreichen, werden bei der weiteren Untersuchung die Systemgrenzen erweitert. So werden bei der anschließenden Jahresenergiebilanzierung Positionen wie z.B. der Beleuchtungsenergiebedarf mit berücksichtigt. Anhand der Jahresenergiebilanz, die in analoger Vorgehensweise auch für verschiedene konventionelle Verglasungssysteme erstellt wurde, lassen sich die Einsparung, die durch das Fluidglas generiert werden, quantifizieren.
Diese Bilanz zeigt des Weiteren, an welcher Stelle das Fluidglas ein nachteiliges Verhalten im Vergleich zu den Referenzsystemen aufweist. Daraus lassen sich Anpassungsmöglichkeiten ableiten, die eine Verbesserung der Fluidglas-Performance versprechen.
Inhaltsverzeichnis
Abstract ... 2
1 Zielsetzung der Arbeit ... 5
1.1 Grundlagen ... 5
2 Behaglichkeit ... 8
2.1 Thermische Behaglichkeit ... 8
2.2 Visuelle Behaglichkeit ... 10
3 Strahlungsphysikalische und lichttechnische Größen ... 11
3.1 ReLux-Tageslichtsimulation ... 16
4 Tagesverlaufsbetrachtung ... 18
4.1 Randbedingungen ... 18
4.1.1 Standort ... 18
4.1.2 Raumgröße ... 19
4.1.3 Szenarien ... 20
4.1.4 Energiebilanz Büroraum ... 21
4.1.5 Raumtemperaturen ... 26
4.1.6 Fluidtemperaturen ... 27
4.1.7 Kondensation in Dubai ... 28
4.1.8 weitere Annahmen ... 28
4.2 Ergebnisse - München ... 30
4.2.1 Solare Gewinne ... 30
4.2.2 Zusätzlicher Kühlbedarf ... 31
4.2.3 Energiebilanzen ... 33
4.2.4 Wärmeströme... 36
4.3 Ergebnisse – Dubai ... 39
4.3.1 Solare Gewinne ... 39
4.3.2 Kühlbedarf ... 39
4.3.3 Energiebilanzen ... 40
4.3.4 Wärmeströme... 41
4.4 Betrieb als Solarkollektor ... 42
4.5 Auswertung ... 44
5 Jahresbilanzierung ... 49
5.1 Grundlagen zur Energiebilanzierung ... 49
5.2 Randbedingungen ... 50
5.2.1 Standort ... 50
5.2.2 Raumgröße ... 50
5.2.3 Szenarien ... 50
5.2.4 Energiebilanz - thermisch ... 51
5.2.7 Energiebilanz - Pumpenergiebedarf ... 55
5.2.8 Energiebilanz - Kollektorgewinne ... 56
5.3 Ergebnisse Jahresbilanzierung ... 56
5.3.1 Gesamtbilanz München, Nord-Ost-Ausrichtung ... 56
5.3.2 Gesamtbilanz München, Süd-West-Ausrichtung ... 59
5.3.3 Gesamtbilanz Dubai, Süd-West-Ausrichtung ... 61
5.3.4 Validierung ... 65
5.4 Auswertung ... 67
5.4.1 Abwärmenutzung ... 68
5.4.2 Vorteile gegenüber konventionellen Systemen ... 70
6 Variation und Verbesserungspotentiale ... 72
6.1 Austausch des Glases und der Beschichtungen ... 72
6.1.1 Gesamtbilanz Diamant-Fluidglas München, Süd-West-Ausrichtung ... 74
6.2 Einfärbungspartikel ... 77
7 Probleme und Ungenauigkeiten ... 79
7.1 Konzentrationsschritte im EES-Modell ... 79
7.2 Temperaturdifferenz über die Höhe des Fluidglases ... 79
7.3 Verhalten der äußeren Fluidschicht im Winter ... 80
8 Zusammenfassung ... 81
9 Glossar ... 83
10 Literaturverzeichnis ... 85
11 Abbildungsverzeichnis ... 88
12 Tabellenverzeichnis ... 91
13 Abkürzungsverzeichnis ... 92
14 Anhang ... 94
1 Zielsetzung der Arbeit
„Die größten Energieschlucker - und Verursacher von Treibhausgasen - sind heute unsere Gewerbe-, Industrie- und Wohngebäude. Heizungen, Klimaanlagen und Elektrizität für das, was die Industrie als "gebaute Umwelt" bezeichnet, verursachen fast 60 Prozent der Treibhausgas-Emissionen weltweit (…) und damit fast doppelt so viel wie der Automobil- Sektor." [1:88]
Ein Ansatz, der den Energieverbrauch von Heizungen und Klimaanlagen drastisch reduzieren soll, ist die Verwendung von fluiddurchströmten Glasfassadenelementen. Diese ermöglichen eine aktive Energietransmissionskontrolle und stellen durch ihre Funktionsweise Verschattungssystem, Solarkollektor, Kühl- und Heizelement in einem Bauteil dar. [2:1] Im Rahmen dieser Arbeit werden die fluiddurchströmten Glasfassadenelemente auch kurz als
‚Fluidglas‘ bezeichnet.
Die Zielsetzung der Arbeit als Beitrag zur Forschung am Projekt Fluidglas kann in drei Teile gegliedert werden: An erster Stelle muss geprüft werden, inwieweit es durch das Fluidglas überhaupt möglich ist, thermische und visuelle Behaglichkeit zu gewährleisten. Hierzu wird eine Leistungsabschätzung anhand eines Tagesverlaufs durchgeführt. Des Weiteren sollen durch eine Jahresenergiebilanz die Einsparungspotentiale quantifiziert werden, die durch eine Fluidglasfassade im Vergleich zu herkömmlichen Verglasungssystemen erschlossen werden. Hier sollen Erkenntnisse über das thermische wie energetische Verhalten des Fluidglases im Anwendungsfall gewonnen werden. Abschließend steht die Betrachtung und Untersuchung von Optimierungspotentialen, die sich aus den vorangegangenen Berechnungen aufgetan haben, im Mittelpunkt.
1.1 Grundlagen
Eine Gebäudehülle hat neben dem Schutz vor widrigen Verhältnissen von außen die Aufgabe eine behagliche Umgebung im Innenraum zu schaffen. Ist dies nicht möglich, muss Energie zum Betrieb von Beheizung, Kühlung, Lüftung oder zur Belichtung aufgewandt werden. Dabei hat insbesondere die Fassade entscheidenden Einfluss auf den nötigen technischen Ausbau und Energiebedarf eines Gebäudes. [3:104]
Diese Arbeit soll sich vorrangig mit Vollglasgebäuden beschäftigen. Bei diesen besteht die gesamte Fassade aus Verglasungsflächen, während zusätzlich angenommen wird, dass ein Verglasungsanteil von 100% vorliegt. Dieser Wert ist theoretischer Natur, da in der praktischen Anwendung eine Fensterrahmung implementiert ist.
Abbildung 1: Vollglasgebäude [4]
Möchte man eine Fluidglasfassade mit einem herkömmlichen, konventionellen Verglasungssystem bei Vollglasgebäuden vergleichen, so kann hier am ehesten eine Sonnenschutzverglasung herangezogen werden. Sonnenschutzverglasungen zeichnen sich durch eine hohe Reflektion im infraroten Bereich des solaren Spektrums aus. [5] Sie werden insbesondere bei Vollglasbürogebäuden verwendet, um thermische Behaglichkeit im Innenraum zu gewährleisten. Dies geschieht leider sehr oft auf Kosten der visuellen Behaglichkeit, was in der Praxis durch eine Steigerung des Anteils der künstlichen Beleuchtung im Gebäudeinneren wahrzunehmen ist. Denn je höher die zu erwartende solare Einstrahlung ist, desto drastischer sind die Maßnahmen, die zum sommerlichen Wärmeschutz zu treffen sind. [6:156] Das Spektrum reicht hier von beweglichen und unbeweglichen Verschattungssystemen über elektrochromatisch schaltbare Verglasungen bis hin zu stark abgedunkelten Sonnenschutzverglasungen, um nur einen kleinen Ausschnitt zu geben.
Mit dem Fluidglas wird an dieser Stelle versucht die Vorteile einer schaltbaren Verglasung durch Einfärbung der Fluidschichten nachzubilden. Wie in Abbildung 2 dargestellt, kann so je nach Umgebungsbedingungen eine aktive Energietransmissionskontrolle realisiert werden.
Abbildung 2: Funktionsweise Fluidglas zur Kühlperiode (links) und Heizperiode (rechts) [2:2]
Wie in Abbildung 2 zu sehen, ist beim Fluidglas die Möglichkeit der Einfärbung der Fluidschichten vorgesehen. In Kombination mit der thermischen Isolierung der beiden Fluidschichten kann so im Sommer die äußere Fluidschicht als Solarkollektor und Verschattungssystem betrieben werden, während die innere Fluidschicht zur Kühlung des Raumes verwendet werden kann. Im Winter bleibt die äußere Fluidschicht klar und die innere Fluidschicht übernimmt die Funktion eines Heizkollektors.
Der große Vorteil, den das Fluidglas gegenüber konventionellen Fassadensystemen hat, ist, dass es durch die Möglichkeit der Einfärbung und Fluidtemperierung Freiheitsgrade zur Energietransmissionskontrolle besitzt. Damit kann es Aufgaben übernehmen, für die sonst beispielsweise eigene Kühl- oder Heizsysteme benötigt werden. Letztendlich muss durch diese haustechnischen Systeme die Behaglichkeit innerhalb des Gebäudes gewährleistet werden. Um als Alternative zu diesen bestehen zu können, muss die Anforderung auch für das Fluidglas gelten.
2 Behaglichkeit
2.1 Thermische Behaglichkeit
Unter thermischer Behaglichkeit sind die Anforderungen an die klimatischen Innenbedingungen eines Raumes zusammengefasst. [7:21]
Die physikalischen Faktoren, die diese Innenbedingungen definieren, sind:
Raumlufttemperatur
Mittlere Temperatur der raumumschließenden Oberflächen
Temperaturverteilung
Luftbewegung
Luftfeuchte [3:35]
Für diese Parameter gilt es Wertebereiche festzulegen, bei denen sich ein im Raum befindlicher Mensch thermisch behaglich fühlt. Dies bedeutet, dass „optimale Verhältnisse (…) bei neutralen Temperaturbedingungen“ [3:34] herrschen. Der Körper muss also bei normaler Durchblutung keinen Wärmeausgleich vornehmen. Innerhalb dieses Bereiches gelten Bedingungen, bei denen der menschliche Körper gerade nicht beginnt zu schwitzen, als thermisch besonders behaglich. [3:34]
Bedingungen, die ebenfalls eine Rolle in Bezug auf die thermische Behaglichkeit spielen, sind physiologische Bedingungen (wie z.B. Alter, Geschlecht, Konstitution) und intermediäre Bedingungen (wie z.B. Kleidung oder Tätigkeitsgrad, der im Raum befindlichen Person). [8]
Auf diese Größen kann kein Einfluss genommen werden, lediglich eine Eingrenzung der Benutzergruppe und die Bestimmung des Nutzungskonzeptes erscheint sinnvoll.
In der Norm DIN EN15251 sind für verschiedene Gebäude, Standorte und Nutzungskonzepte Werte hinterlegt, die für die jeweilige Kombination eine thermische Behaglichkeit garantieren sollen.
Zunächst ist eine Kategorie zu wählen, die festlegt, wie anspruchsvoll die Erwartungen an das Raumklima sind.
Tabelle 1: Erwartungen an das Raumklima [9:12]
Aufgrund der gegebenen Bedingungen des betrachteten Simulationsraumes ist hier die Wahl auf Kategorie 2 gefallen, da keine besonders empfindlichen Personen in der betrachteten Umgebung zu erwarten sind, aber hier trotzdem hohe Ansprüche an das Raumklima gewährleistet sind. Des Weiteren wurde der Raumtyp „Einzelbüro“ oder „Konferenzraum“
gewählt. [9:26] Für diesen Raumtyp sind in Tabelle 2 Temperaturbereiche für Kühl- und Heizperiode festgelegt.
Tabelle 2: Temperaturbereiche nach Gebäude- bzw. Raumtyp [9:26]
Wie in Tabelle 2 zu sehen, liegen für Kategorie zwei die Extremtemperaturen von mindestens 20°C im Winter bis maximal 26°C im Sommer. Die Einhaltung dieser Grenzen ist eine zentrale Anforderung, die an das Fluidglas gestellt wird und ist in allen nachfolgenden Berechnungsschritten und Simulationsläufen sowohl Vorrausetzung als auch Gradmesser für die Anwendbarkeit des Fluidglases.
2.2 Visuelle Behaglichkeit
Ein ebenfalls zentraler Parameter, der insbesondere bei der Regelung des Fluidglases eine Rolle spielt, ist die Beleuchtungsstärke, auch als Helligkeit bekannt.
Eine visuelle Behaglichkeit ist dann erreicht, wenn eine Person bei der Erledigung einer Sehaufgabe mit der Lichtsituation zufrieden ist. [10:16] In der Norm DIN EN12464 ist sie mit
„500Lux mittlerer Beleuchtungsstärke“ [11:23] am Arbeitsplatz, bei einer Nutzflächenhöhe von 0,85m und einem Abstand von 0,5m zur Wand definiert. [10:11] Des Weiteren ist festgelegt, dass es sich hierbei um einen Mindestwert handelt, der überschritten werden darf, aber im Mittel nicht unterschritten werden sollte. Blendung ist erst bei Beleuchtungsstärken jenseits 10 000lx zu erwarten. [10:31]
Das Problem, das jedoch an dieser Stelle auftritt, ist die Tatsache, dass alle Berechnungen und Simulationen, die vorgenommen wurden, vorrangig mit strahlungsphysikalischen Größen durchgeführt werden mussten. Normiert ist der Helligkeitswert hingegen in einer lichttechnischen Größe. Die Umrechnung von strahlungsphysikalischer zu lichttechnischer Größe muss somit vorgenommen werden.
3 Strahlungsphysikalische und lichttechnische Größen
Um die Unterschiede zwischen den beiden Größen zu verstehen, muss eine Betrachtung der Definitionen vorgenommen werden.
Tabelle 3: Definition Strahlungsphysikalischer und lichttechnischer Größen
Solare Strahlung Die gesamte durch die Fusionsreaktion der Sonne bereitgestellte und abgestrahlte Strahlungsenergie. [12:3]
strahlungsphysikalische Größe Im Fokus der Betrachtung steht das gesamte Spektrum der elektromagnetischen Strahlung. Die Indizierung sieht ein ‚e‘ für
‚energetisch‘ vor.
Licht Die vom Menschen wahrgenommene Strahlung führt zu einer Helligkeitsempfindung. Je nach Wellenlänge der in das Auge einfallenden Strahlung wird diese mit unterschiedlicher Empfindlichkeit wahrgenommen. Der empfindungsgemäße Gesamteindruck, der hierdurch entsteht, heißt Licht. [13:5]
Lichttechnische/photometrische Größe
Hier steht der durch das menschliche Auge wahrnehmbare Anteil der Strahlung im Mittelpunkt. Indiziert wird mit einem ‚v‘ für
‚visuell‘.
Die Lichttechnik bezieht sich somit auf den Menschen, bzw. das menschliche Auge, das nur einen geringen Anteil der elektromagnetischen Strahlung wahrnimmt. [13:5] An dieser Stelle wird auch klar, wieso sämtliche Berechnungen nur auf strahlungsphysikalischer Grundlage angestellt werden können: Es wird das vollständige energetische Spektrum betrachtet.
Die Hellempfindlichkeitsfunktion des menschlichen Auges wird mit V( ) bezeichnet und ist in der EN410 genormt.
Abbildung 3: Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad des halladaptierten Auges [13:6]
Wie zu sehen ist, befindet sich die maximale Helligkeitsempfindlichkeit bei einer Wellenlänge von 555 nm, was einem grünen Farbeindruck entspricht.
Um den Übergang von strahlungsphysikalischen Größen ( ) zu photometrischen Größen ( ) vollziehen zu können, muss wellenlängenabhängig dargestellt werden. ist hierbei eine beliebige Größe der Photometrie (wie z.B. Lichtstrom) oder Strahlungsphysik (wie z.B.
Strahlungsfluss), die nach ihrer spektralen Verteilung differenziert werden kann.
Anschließend muss mit der V( )-Funktion bewertet werden:
∫ ( ) ( )
Mit einer Konstante (K) zur Angleichung der Einheitensysteme kann nun die photometrische Größe gebildet werden: [13:6]
Als Beispiel ist die Umrechnung des Strahlungsflusses in Lichtstrom anzuführen:
∫ ( ) ( )
ist das Maximum des photometrischen Strahlungsäquivalents mit einem Wert 693lm/W.
[13:11]
Wie Strahlungsfluss und Lichtstrom verhalten sich auch andere photometrische und strahlungsphysikalische Größen analog zueinander:
Tabelle 4: Analogie strahlungsphysikalischer und lichttechnischer Größen [13:11]
Strahlungsphysikalische Größe
Einheit Lichttechnische Größe Einheit
Strahlungsfluss Watt (W) Lichtstrom Lumen (lm)
Strahldichte W/(m² sr) Leuchtdichte Cd/m²
Strahlstärke W/sr Lichtstärke Candela (cd)
Bestrahlungsstärke W/m² Beleuchtungsstärke Lux
(lx) = (lm/m²)
Strahlungsmenge W s Lichtmenge lm s
Im vorliegenden Fall sind insbesondere die Beleuchtungsstärke und die Bestrahlungsstärke interessant, da in den Wetterdaten die Bestrahlungsstärke hinterlegt ist und die Helligkeitsnorm den Wert 500lx als Beleuchtungsstärke an Büroarbeitsplätzen vorsieht.
Um eine exakte Umrechnung von Bestrahlungsstärke in Beleuchtungsstärke vornehmen zu
können müsste zu jeder Zeit das elektromagnetische Strahlungsspektrum der einfallenden Strahlung bekannt sein. Dies kann jedoch je nach Sonnenstand und Witterungsbedingungen stark variieren. Begründet liegt diese Variation in der Wechselwirkung zwischen den Molekülen der Erdatmosphäre und dem solaren Spektrum.
Abbildung 4: Einfluss von Streuung und Absorption auf das terrestrische solare Spektrum [12:61]
Wie in Abbildung 4 zu sehen, stellen die Streuungs- und Absorptionsphänomene, der in der Erdatmosphäre vorkommenden Moleküle, einen wesentlichen Einfluss auf das terrestrische Spektrum der solaren Einstrahlung dar.
Verstärkt wird der Einfluss dieses Effekts durch die Steigerung der Lauflänge der solaren Einstrahlung durch die Erdatmosphäre. Ein zentraler Kennwert in diesem Zusammenhang ist der AirMass-Index, dessen Auswirkung anhand Abbildung 5 deutlich wird.
Abbildung 5: Einfluss der Lauflänge der solaren Strahlung durch die Erdatmosphäre auf das solare Spektrum (Air Mass) [12:62]
Wie durch die Abbildung 4 und Abbildung 5 ersichtlich wird, ergibt jeder Sonnenstand in Kombination mit der aktuellen Witterung und der dementsprechenden Molekülkonzentration in der Erdatmosphäre ein unterschiedliches solares Spektrum. Eine stündliche Berechnung der Beleuchtungsstärke unter Berücksichtigung dieser Einflüsse würde über den vorgesehenen Umfang dieser Arbeit hinausgehen, daher muss eine Vereinfachung getroffen werden.
Diese Vereinfachung stellt einen Koeffizienten dar, der zur Umrechnung von solarer Einstrahlung in Beleuchtungsstärke verwendet wird. In der VDI Richtlinie 6011 wird das Problem der variierenden Beleuchtungsstärken aufgegriffen. An zwei Referenztagen wird die Bestrahlungsstärke mit der gemessenen Beleuchtungsstärke einer horizontalen Fläche verglichen.
Tabelle 5: Beispiel für Bestrahlungsstärke und Beleuchtungsstärke [10:13]
Datum Fläche Strahlung Bestrahlungsstärke in W/m²
Beleuchtungsstärke in klx
20. Dezember Horizontal global 229 21,4
21. Juni Horizontal global 806 86,6
Berechnet man die Umrechnungskoeffizienten von Bestrahlungsstärke in Beleuchtungsstärke [lx/(W/m²)] für die vorliegenden Werte, so erhält man 93,4lx/(W/m²) für den Winterfall und 107,4lx/(W/m²) im Sommerfall. Eine erste Dimensionierung für den gesuchten Koeffizienten ist somit durchgeführt.
Der nächste Schritt wurde mit Hilfe der Helligkeitsdaten (einer horizontaler Fläche) und den Einstrahlungsdaten auf eine Fassadenfläche des Meteonorm-Wetterdatensatzes1 für München durchgeführt: So wurde an jedem Tag des TRY (Test-Reference-Year) um 15 Uhr ein Umrechnungskoeffizient gebildet, der das Verhältnis Beleuchtungsstärke zu Bestrahlungsstärke wiedergibt. Die jeweiligen Ergebnisse sind als Punkte in Abbildung 6 dargestellt:
Abbildung 6: Umrechnungskoeffizienten für eine senkrechte Fläche, TRY, München, Westausrichtung, 15 Uhr
Abbildung 6 zeigt, dass zu keinem Zeitpunkt der Faktor 100lx/(W/m²) unterschritten wird.
Dieser Gegensatz zu den obigen Werten lässt sich durch die vertikale Ausrichtung der Fläche begründen. Der Anteil diffuser Einstrahlung, die zu einem höheren Koeffizienten führt, ist hier höher als bei der horizontalen Fläche. [10:13]
1 Die Wetterdaten des TRY an den Standorten München und Dubai wurden für die Temperatur aus der Periode 1961-1990, für 0
20 40 60 80 100 120 140
0 50 100 150 200 250 300 350
Umrechnungskoeffizient [lx/(W/m²)]
Tag/Jahr
Da lediglich die Unterschreitung einer mittleren Beleuchtungsstärke von 500lx am Arbeitsplatz vermieden werden muss, kann der Koeffizient 100lx/(W/m²) als Worst-Case- Abschätzung verwendet werden.
Dieser Wert ist ebenfalls ein anerkannter Faktor im Bereich der Tageslichtsimulation. [14:13]
3.1 ReLux-Tageslichtsimulation
Da nun die Beleuchtungsstärke außerhalb des Fensters bekannt ist und durch die Norm DIN EN12464 die benötigte mittlere Beleuchtungsstärke auf der Nutzfläche des simulierten Testraumes (HxBxT; 3x3,5x5m)2 mit 500lx festgelegt ist, fehlt die Beleuchtungsstärke direkt hinter dem Fenster, im Raum.[11:23]
Unter Verwendung des visuellen Transmissionskoeffizienten des Fluidglases kann diese berechnet werden.
Der benötigte visuelle Transmissionskoeffizient kann wiederrum durch eine bestimmte Konzentration der Einfärbe-Partikel dargestellt werden. Hierdurch ist der sogenannte
‚Schaltzustand‘ des Fluidglases festgelegt und sämtliche Kennwerte, wie z.B. solarer Transmissionskoeffizient oder g-Wert sind durch Korrelationen, die auf Basis experimenteller Messungen erstellt wurden, verfügbar.
Um den fehlenden Wert für die innere Beleuchtungsstärke zu ermitteln, wurde das Programm ReLux Pro verwendet, das Tageslichtverläufe in Räumen simuliert.
Abbildung 7: Simulationsraum, rot: Nutzfläche
2 Siehe Kapitel 4.1.2
In Abbildung 7 wurde zunächst der betrachtete Simulationsraum nachgebildet und die Helligkeitsverteilung im Raum unter der Verwendung verschiedener Transmissionskoeffizienten simuliert.
Das Ergebnis einer solchen Helligkeitsverteilung ist als Falschfarbenverlauf in Abbildung 8 zu sehen.
Abbildung 8: exemplarische Helligkeitsverteilung im Raum, dargestellt als Falschfarbenverlauf; Messpunkt Innenseite: Roter Punkt
Die Tageslichtsimulation wurde so oft wiederholt, bis eine mittlere Beleuchtungsstärke von 507lx (mindestens 500lx) erreicht war. Der rote Punkt auf der Innenseite der Verglasung (Siehe Abbildung 8) stellt den hellsten Punkt des Raumes und gleichzeitig den Messpunkt dar, an dem bei der Tageslichtsimulation3 eine Beleuchtungsstärke von 1690lx gemessen wurde. Damit kann der fehlende Wert für mit 1700lx angenommen werden, wodurch unter den gemachten Annahmen eine mittlere Beleuchtungsstärke von 500lx gewährleistet ist.
4 Tagesverlaufsbetrachtung
Die Überschlagsberechnung hat das Ziel an markanten Tagen die Leistungsfähigkeit einer Fluidglas-Fassade in Kombination mit einem Standard-Einzelbüroraum/Konferenzraum abzuschätzen. Die Frage, inwieweit die thermische und visuelle Behaglichkeit gewährleistet werden kann, steht hier im Mittelpunkt. Des Weiteren soll abgeschätzt werden, wie wirksam eine Energietransmissionskontrolle funktionieren kann oder ob eine zusätzliche Kühlung - zum Beispiel durch eine Klimaanlage - an besonders warmen und einstrahlungsstarken Tagen vonnöten ist.
Die Betrachtung soll in erster Linie Erkenntnisse über das Raumklimatisierungspotential mittels Fluidglasfassaden liefern. Sie dient nicht als Vergleich in energetischer Hinsicht zu bisherigen Systemen, da Einflussfaktoren wie z.B. die Kühlleistung, die für die Fluidtemperierung benötigt wird oder die Pumpleistung zur Aufrechterhaltung der Fluidzirkulation außerhalb der betrachteten Systemgrenzen liegen. Diese Bedarfe werden in Kapitel 5 genauer untersucht.
Nichtsdestotrotz müssen zur Beurteilung der verschiedenen Szenarien Energiebilanzen erstellt werden. Die verglichenen Energieformen stellen hierbei Nutzenergiebedarfe dar.
4.1 Randbedingungen 4.1.1 Standort
Um einen entsprechenden Extremfall zu simulieren, wurde zunächst an den Standorten München und Dubai ein Raum mit Westausrichtung an einem hochsommerlichen Tag Ende Juli betrachtet. Die Westausrichtung des Raumes ist durch den vergleichsweise hohen Einstrahlungswert im Tagesverlauf zu begründen. Dies ist in Abbildung 9 zu erkennen, welche den Verlauf der Strahlungsintensität verschiedener Fassadenausrichtungen an einem klaren, hochsommerlichen Tag in München darstellt.
Abbildung 9: Einstrahlungen auf eine senkrechte Fläche am 21.07.TRY in München 0
100 200 300 400 500 600 700 800 900
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Gesamte Einstrahlung [W/m²]
Stunde [h]
Nord-Ost Ost Süd-Ost Süd Süd-West West Nord-West
Dubai als zusätzlicher Standort bringt vor allem die Herausforderung der besonders hohen Außentemperaturen im Vergleich zu München mit sich, während die Einstrahlungswerte aufgrund des deutlich niedrigeren Breitengrades etwas geringer sind. Abbildung 10 zeigt den Tagesverlauf von Globalstrahlung und Temperatur für die gewählten Tage des TRY (München: 21.07. und Dubai: 23.07.).
Abbildung 10: Temperatur- und Einstrahlungsverläufe auf eine senkrechte Fläche mit Westausrichtung; Standorte: München (48° 09´ N; 11° 35´ O) und Dubai (25° 14´ N; 55° 17´
O)
Die Wahl des Datums und der Ausrichtung geschah vor dem Hintergrund durch eine Kombination aus hohen Temperaturen und hoher Einstrahlung einen Extremfall darzustellen.
Daher wurde auch die Westausrichtung gewählt. Obwohl, wie in Abbildung 9 zu sehen, die Westausrichtung nicht unbedingt die höchste Einstrahlung aller Ausrichtungen liefert, ist die Umgebungstemperatur am Nachmittag am höchsten. Kann an diesem Tag die thermische Behaglichkeit gewährleistet werden, so ist davon auszugehen, dass dies auch für die übrigen Tage des Jahres gilt.
4.1.2 Raumgröße
Die Raumgröße wurde nach VDI-Richtlinie 6020 auf 3x3,5x5m (HxBxT) und damit einer Grundfläche von 17,5m² festgelegt. [15:47] Die Abmessungen entsprechen denen eines Standard-Einzelbüro/Konferenzraumes. Für diesen Raumtyp sind in der DIN 18599 interne Lasten von 2,73W/m² (Watt pro Quadratmeter Raumfläche) für die Wärmeabgabe der Personen und 3,82W/m² für die Wärmeabgabe der Arbeitshilfen genormt. Damit sind
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23
Einstrahlung [W/m²]
Außentemperatur [°C]
Stunde [h]
Wetterdaten München 21.07. und Dubai 23.07. TRY; jeweils Westausrichtung
Temperatur München
Temperatur Dubai
Globalstrahlung auf eine senkrechte Fläche,
Westausrichtung, München Globalstraglung auf eine senkrechte Fläche,
Westausrichtung, Dubai
gesamten Raum entspricht. Dies gilt allerdings nur an 11 Stunden pro Tag zur Nutzungszeit von 7:00 Uhr bis 18:00 Uhr4.
Wärmeeinträge durch eine eventuell stattfindende künstliche Beleuchtung wurden nicht berücksichtigt, da insbesondere zu Zeiten maximaler Einstrahlung kein Beleuchtungsbedarf vorliegt.
Des Weiteren wurde eine thermische Masse5 vernachlässigt. Dies hat den Hintergrund, dass eine Extremwert-Betrachtung durchgeführt wird und thermische Speichereffekte sowohl im Winter, als auch im Sommer zu moderateren Bedingungen führen würden. Unter dieser Voraussetzung ist der Raum ungefähr mit Räumen der leichten Bauweise zu vergleichen.
[16]
Wie im Rahmen der ReLux-Tageslichtsimulation dargestellt, besitzt die kurze Seite des Raumes eine Vollglasfassade, für die der theoretische Wert von 100% Glasanteil angenommen wird. Von einer Wärmeleitung der Innenraumwände, des Bodens oder der Decke wird abgesehen, da davon ausgegangen wird, dass angrenzend Räume mit dem gleichen Raumklima liegen.
4.1.3 Szenarien
Um die Leistungsfähigkeit des Fluidglases abschätzen zu können, wurden vier verschiedene Szenarien erstellt:
Tabelle 6: Fluidglas- und Benchmarkszenarien Tagesverlauf
Nr. Szenario Bezeichnung g-Wert
[W/m²K]
1 Fluidglas ohne Einfärbung klar 0,344 0,253 0,44
2 Fluidglas mit Einfärbung eingefärbt 0,344-0,058 0,253-0,021 0,44 3 Sonnenschutzverglasung mit
Kühldecke
SSV + Kühldecke
0,26 0,22 0,7
4 Sonnenschutzverglasung SSV 0,26 0,22 0,7
Die zwei verschiedenen Fluidglas-Szenarien wurden vor dem Hintergrund erstellt, dass die Ergebnisse der Berechnung jeweils Aufschluss über die Leistungsfähigkeit der abschattenden und kühlenden Komponenten liefern sollen. Der Vergleich mit herkömmlichen Systemen, mit denen das Fluidglas konkurriert, bietet einen weiteren Gradmesser zur Leistungsbeurteilung. Die verschiedenen Szenarien sollen zudem Rückschlüsse auf Optimierungspotentiale des Fluidglas-Aufbaus liefern. Eines dieser häufig verwendeten Systeme ist die Kombination von Sonnenschutzverglasung mit einer Kühldecke. Im
4 Interne Lasten und Nutzungsprofil nach Energieberater DIN 18599: Siehe Anhang „Energieberater DIN 18599“
5 Erklärung Thermische Masse: Siehe Kapitel 9 Glossar
vorliegenden Fall wird eine als Kühlsegel ausgeführte Kühldecke mit einer maximalen Kühlleistung von 80W/m² zum Vergleich herangezogen. [3:178f]
4.1.4 Energiebilanz Büroraum
Die Grundlage für die Berechnung stellt eine Energiebilanz über den Büroraum dar. Eine solche Bilanzierung ist für konventionelle Verglasungen unter Verwendung des g-Wertes durchzuführen. Die Sonnenschutzverglasung ist zu den konventionellen Verglasungen zu zählen, da sie keine aktive Energietransmissionskontrolle vornehmen kann.
Der g-Wert ist eine Kennzahl, die den Gesamtenergiedurchlassgrad transparenter Bauteile angibt. Betrachtet wird das gesamte elektromagnetische Spektrum der eingestrahlten Energie. Der g-Wert umfasst zwei Arten des Energiedurchlasses: Zum einen den primären Energiedurchlass aufgrund von Strahlungstransmission und zum anderen den sekundären Energiedurchlass durch Strahlungsemission des in der Verglasung absorbierten Anteiles der Einstrahlung, hauptsächlich im infraroten Wellenlängenbereich. [17:259]
Szenario 3 und 4
Da die Szenarien 3 und 4 der klassischen Energiebilanzierung von Fassadensystemen entsprechen, wird mit ihnen begonnen und anschließend die nötigen Abwandlungen der Fluidglas-Szenarien aufgezeigt.
Im nachfolgenden Schaubild sind die bilanzierten Wärmeströme für die Szenarien 3 (SSV + Kühldecke) und 4 (SSV) grafisch dargestellt.
Abbildung 11: Energiebilanz-Schaubild: Büroraum mit SSV und optionaler Kühldecke
Um die Vorgehensweise nachvollziehen zu können, werden die einzelnen Energieströme Schritt für Schritt erläutert. Im Zentrum der Betrachtung steht der Einzelbüro- /Konferenzraum, dessen Klimatisierung es zu gewährleisten gilt.
Die in Abbildung 11 dargestellte Energiebilanz wird zur Berechnung des Kühlungsbedarfes verwendet:
Kühlungsbedarf ( )
Der Gradmesser für die Leistungsfähigkeit des Fluidglases im Sommer soll der zusätzliche Kühlungsbedarf sein. Für ihn gilt:
Szenario 3:
Szenario 4:
Die in dieser Gleichung enthaltenen Größen sind:
Direkte und Indirekte solare Strahlungseinträge ( )
Das Produkt aus solarer Einstrahlung auf eine senkrechte Fläche am jeweiligen Standort und dem g-Wert der Sonnenschutzverglasung
Wärmedurchgang ( )
Der multipliziert mit der Temperaturdifferenz zwischen Außen- und Raumtemperatur ergibt den Wärmestrom, der durch Wärmeleitung, -strahlung und - konvektion zwischen Raum und Umgebung ausgetauscht wird.
Interne Lasten ( )
Interne Lasten sind die bereits genannten Wärmeeinträge durch Personen oder Arbeitshilfen;
in der vorliegenden Anordnung 115 Watt zur Nutzungszeit bzw. ca. 1265 Wh/d.
Kühldecke ( )
Die Kühldecke mit einer minimalen Vorlauftemperatur von 20°C und einer Kühlleistung von maximal 80W/m² [3:176] kommt beim Szenario 3 (SSV + Kühldecke) zur Anwendung und ist an der kompletten Deckenfläche (17,5m²) installiert.
Szenario 1 und 2
Der wesentliche Unterschied zur obigen, konventionellen Bilanzierung, liegt in der Aufteilung von primärem Energiedurchlass (Transmission) und sekundärem Energiedurchlass (Strahlung). Der g-Wert kann hier nicht mehr angewandt werden, da das Fluidglas durch die Enthalpieabfuhr der Fluidschichten ( ) und deren Einfärbung sehr unterschiedliche Sekundärstrahlungsanteile6 besitzen kann. In Abbildung 12 sind die einzelnen Wärmeströme dargestellt.
Abbildung 12: Energiebilanz-Schaubild: Büroraum mit Fluidglas
EES-Modell-Ausschnitt
Auch beim Fluidglas wird über die in Abbildung 12 aufgestellte Energiebilanz der zusätzliche Kühlungsbedarf berechnet:
Kühlungsbedarf ( )
Für den zusätzlichen Kühlungsbedarf gilt:
( )
Wie die Energiebilanz zeigt, wird hier die Temperierung der inneren Fluidschicht zunächst nicht berücksichtigt.
Die zur Berechnung des Kühlbedarfes bilanzierten Größen sind:
Solare Gewinne ( )
Stellt den solaren Eintrag in den Raum dar. ist die solare Einstrahlung auf eine senkrechte Fläche außerhalb des Gebäudes. ist der solare Transmissionskoeffizient des Fluidglases zum jeweiligen Schaltzustand.
Interne Lasten ( ) Siehe Szenario 3 und 4.
EES-Modell-Ausschnitt
Hinter dem ‚EES-Modell‘ verbirgt dich das Energiebilanzmodell des kompletten Fluidglas- Aufbaus, dargestellt im ‚Engineering-Equation-Solver‘, kurz EES. Das Gleichungssystem, das Grundlage aller Berechnungen war und alle relevanten Annahmen und Parameter des Fluidglases enthält, ist im Anhang zu finden. Bezüglich der Einfärbung der äußeren Fluidschicht ist darauf hinzuweisen, dass diese im EES-Modell achtstufig erfolgt, während bei der Berechnung des solaren Eintrages von einer weitestgehend stufenlosen (ca. 200 Stufen) Einfärbung ausgegangen wird.
Im EES-Modell sind folgende Einfärbungskonzentrationen des Färbemittels Basacid® Black X40 dargestellt:
Tabelle 7: Einfärbungsstufen des EES-Modells Konzentration [g/l] Quelle
0 0,253 0,505 Experimentell
0,1 0,212 0,391 Interpolation
0,3 0,154 0,240 Interpolation
0,7 0,092 0,093 Interpolation
1,088 0,069 0,040 Experimentell
3 0,038 0,005 Interpolation
6 0,028 0,000 Interpolation
11 0,021 0,000 Experimentell
Die in Tabelle 7 dargestellten solaren Transmissionskoeffizienten wurden aus den experimentell oder durch Interpolation ermittelten visuellen Transmissionskoeffizienten nach EN410 berechnet.
Das EES-Modell im Anhang basiert auf der in Abbildung 13 dargestellten Indizierung der einzelnen Schichten des Fluidglases. Die Pfeile stellen hier Enthalpie- bzw. Wärmeströme dar, die im EES-Modell abgebildet sind und unter Festlegung verschiedener Variablen wie z.B. der Außen-/Innentemperatur oder den Temperaturen der Fluidschichten berechnet werden können.
Abbildung 13: Aufbau und Indizierung Fluidglas [18:11]
Für die Leistungsabschätzung im Tagesverlauf wird der Aufbau um die innere, raumzugewandte Fluidschicht betrachtet, der mit 8 (Glas) – 9 (Fluidschicht) – 10 (Glas) in Abbildung 13 indiziert ist. In Abbildung 12 wurden alle Wärmeübertragungsphänomene dieses Ausschnittes dargestellt. Im Nachfolgenden sollen sie einzeln erläutert werden:
Stellt den solaren Gewinn der Komponenten 8,9,10 aufgrund von Absorption dar. Je nach Einfärbung der äußeren Fluidschicht ändert sich dieser Anteil.
Ist der durch die innere Fluidschicht (9) abgeführte Enthalpiestrom.
Der Wärmetransport aufgrund von Konvektion und Strahlung zwischen den Schichten 6 und 9. Dieser Anteil wird durch die Low-ε-Beschichtung und die Kryptonfüllung im Scheibenzwischenraum 7 gering gehalten.
Der Wärmetransport aufgrund von Konvektion und Strahlung zwischen der Fluidschicht (9) und dem Rauminneren (11). Diese Wärmetransportmechanismen sind für die Kühlung des Raumes im Sommer, bzw. für die Heizung im Winter verantwortlich. Im vorliegenden Fall werden sie in die Bilanz mit meist negativem Wert aufgenommen. Sie erfüllen bei der Extremfallbetrachtung die Funktion einer Art Kühlfläche.
4.1.5 Raumtemperaturen
Durch die Norm DIN 12521 ist der Temperaturbereich 20°C bis 26°C zur Nutzungszeit vorgegeben. Innerhalb dieser Periode muss eine Regel aufgestellt werden, wie sich die Innenraumtemperatur im Vergleich zur Außentemperatur zu verhalten hat. Dies ist energetisch deutlich sinnvoller als die Innentemperatur beispielsweise konstant auf 26°C oder 20°C zu halten.
Folgende Richtlinien zur Raumtemperierung wurden aufgestellt:
Tabelle 8: Festgelegte Raumtemperatur-Richtlinien
Nutzung Außentemperatur (T∞) Raumtemperatur
Nein T∞ < 18°C 18°C
Nein T∞ ≥ 18°C = T∞, max. 26°C
Ja T∞ < 20°C 20°C
Ja 20°C ≤ T∞ ≤ 26°C = T∞
Ja T∞ > 26°C 26°C
Der Raumtemperaturverlauf eines Tages in München unter Berücksichtigung der festgelegten Raumtemperatur-Richtlinien wurde in Abbildung 14veranschaulicht.
Abbildung 14: Raumtemperaturverlauf München 21.07. TRY 0
5 10 15 20 25 30 35
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23
Temperatur [°C]
Stunde [h]
Außentemperatur Raumtemeratur
Wohingegen in Abbildung 15 zu sehen ist, dass in Dubai selbst in der Nacht die Maximaltemperatur von 26°C nicht unterschritten wird.
Abbildung 15: Raumtemperaturverlauf Dubai 23.07. TRY 4.1.6 Fluidtemperaturen
Erste experimentelle Messungen haben eine maximale Fluidtemperatur von ca. 40°C für die äußere Fluidschicht ( ) ergeben. [18:65] Dieser Wert wurde durch das EES-Modell in der Arbeit von H. Beck validiert. [18] Daher ist davon auszugehen, dass das EES-Modell in diesem Temperaturbereich das reale Verhalten des Fluidglases mit sehr großer Genauigkeit abbildet.
Aus diesem Grund sieht die Berechnung vor, dass zunächst keine Enthalpie durch die äußere Fluidschicht abgeführt wird, bis diese Grenztemperatur erreicht wird. Ab diesem Moment wird die Fluidschicht in Betrieb genommen und führt durch das Wasser einen Enthalpiestrom ab, der dafür sorgt, dass die angenommene Grenztemperatur der Fluidschichten konstant gehalten wird.
Ähnlich wird mit der inneren Fluidschicht verfahren. Hier wurde die Grenztemperatur durch die Forderung, dass Kondensation weitestgehend zu vermeiden ist, auf 18°C festgelegt. Wie in Abbildung 16 zu sehen ist, tritt mit diesem Wert am Standort München eine Kondensation in weniger als 0,5% der Fälle auf.
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23
Temperatur [°C]
Stunde [h]
Außentemperatur Raumtemperatur
Abbildung 16: Summenhäufigkeit des Taupunktes oberhalb eines Wertes bei 12-h-Betrieb [19]
4.1.7 Kondensation in Dubai
Ein Problem, das am Standort Dubai zu erwarten ist, stellt die Kondensation der Raumluft an der inneren Scheibe des Fluidglases dar, wenn diese auf ca. 18°C gekühlt wird. Laut Meteonorm-Wetterdaten herrscht im Sommer eine durchschnittliche relative Feuchte von 56% bei einer durchschnittlichen Temperatur von 34°C. Für den Feuchtegrad gilt:
( )
für (34°C) = 53,18mbar; p = 1bar
Mittels h-x-Diagramm7 kann die Sättigungstemperatur auf ca. 23,5°C bestimmt werden. Die innere Fluidschicht dürfte diese Temperatur nicht unterschreiten, damit sich kein Kondensat am Fenster bildet. Für die Berechnung wurde angenommen, dass sich eine Anlage zur Lufttrocknung im Gebäude befindet und das Problem daher zugunsten einer besseren Vergleichbarkeit mit dem Aufbau in München vernachlässigt werden kann.
4.1.8 weitere Annahmen Lüftung
Um die Behaglichkeit in Hinblick auf Luftzusammensetzung und -bewegung zu gewährleisten, muss eine Lüftungsanlage verbaut werden. Bei Fenstern, die geöffnet werden können, ist dies nicht zwangsweise nötig. Die Implementierung des Fluidglases in die
7 Siehe Anhang: „Relative Feuchte Dubai.doc“
Gebäudefassade sieht in diesen Untersuchungen keine Möglichkeit der Fensterlüftung vor, weshalb der geforderte Luftwechsel von 4m³/(m² h) [20:727] per Raumlüftungsanlage durchgeführt werden muss.
Vereinfachend wurde bei allen Szenarien ein Wärmeeintrag oder eine Kühlung aufgrund von Lüftung durch Umgebungsluft vernachlässigt. In Kapitel 5.2.5 wird näher darauf eingegangen.
Infiltration
Infiltration ist ein Maß für die Dichtheit des Gebäudes und damit eine Einflussgröße auf den Heiz- und Kühlbedarf des Gebäudes. [21:11] Nach Passivhausstandard beträgt die Luftwechselrate 0,6 1/h. [22] Dies bedeutet, dass innerhalb einer Stunde bei einem Überdruck von 50 Pascal 60% des Raumluftvolumens durch Undichtheiten ausgetauscht wird. Da ein Bürogebäude im Gegensatz zu einem Wohngebäude eine viel größere Grundfläche im Verhältnis zur Fläche potentiell undichter Bauelemente wie Eingangsbereich und Dach besitzt, ist dieser Wert auf 0,2 1/h zu korrigieren, was einem nach Passivhausstandard saniertem Hochhaus entspricht. [23]
Für den Wärmeeintrag durch Infiltration gilt somit:
Mit einem Raumvolumen (V) von 52,5m³, einer Luftdichte ( ) von 1,293kg/m³, einer spezifischen Wärmekapazität ( ) von 1,004kJ/(kg K) und einer maximal zu erwartenden Temperaturdifferenz ( ) am betrachteten Tag von 16,05K am Standort Dubai, ergibt dies einen Eintrag von 60,77W.
Aufgrund der Tatsache, dass die Verglasung keinen Einfluss auf die Luftwechselrate hat, ist dadurch kein Unterschied zwischen den verschiedenen Szenarien zu erwarten. Aus diesem Grund wurde vereinfachend angenommen, dass Infiltrationseffekte vernachlässigt werden können.
4.2 Ergebnisse - München
Im Nachfolgenden sind einzelne Diagramme herausgegriffen, die bestimmte Eigenschaften des Fluidglases besonders deutlich zeigen. Die kompletten Ergebnisse der Berechnung für den Standort München sind im Anhang zu finden.8
4.2.1 Solare Gewinne
Abbildung 17: Solare Gewinne bezogen auf die Fensterfläche, Westausrichtung, 21.07, TRY München
Die solaren Gewinne stellen den Wärmeeintrag aus solarer Einstrahlung multipliziert mit dem solaren Transmissionskoeffizienten (Szenario 1 und 2) bzw. g-Wert (Szenario 3 und 4) dar.
Dieser Vergleich kann getroffen werden, weil der Transmissionskoeffizient des Fluidglases näherungsweise mit dem theoretischen g-Wert des Fluidglases gleichgesetzt werden kann.
Insbesondere im Sommer kann aufgrund der Kühlfunktion der inneren Fluidschicht eine Wärmestrahlung in den Raum hinein gänzlich ausgeschlossen werden.
Der Verlauf der Kurven lässt erkennen, dass vor 14 Uhr die Globalstrahlung vor allem aus diffuser Strahlung bestand, während ab 14 Uhr ein starker Anteil direkter Einstrahlung hinzukommt.
Interessant zu sehen ist, dass die solaren Gewinne des Szenarios eingefärbt um mehr als 75% im Vergleich zum SSV-Szenario reduziert werden können. Die Szenarien klar und SSV haben keinen variablen solaren Transmissionskoeffizienten (Solarer
8 Siehe Anhang „Fluidglas_Calc_v7.0_MUC.xls“ und „Fluidglas_Calc_v7.0_DUB.xls“
0 50 100 150 200 250
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
solarer Eintrag/Fensterfläche [W/m²]
Stunde [h]
Fluidglas eingefärbt Fluidglas klar SSV
Transmissionskoeffizient klar: 0,253; SSV: 0,22). Vergleicht man diese Werte9 mit dem solaren Transmissionskoeffizienten einer herkömmlichen Zweischeiben-Isolierverglasung (0,68), so wird klar, dass insbesondere im Winter deutlich geringere Einträge aus primärer, solarer Einstrahlung zu erwarten sind. Der Vorteil, den das Fluidglas gegenüber der Sonnenschutzverglasung jedoch gerade im Winter hat, ist die Tatsache, dass der Sekundärstrahlungsanteil durch die thermische Isolation der beiden Fluidschichten zu einem höheren g-Wert (0,344) des Fluidglases im Gegensatz zur SSV (0,26) führt. Höhere solare Einträge würden hier zu einem geringeren Heizleistungsbedarf führen. Inwiefern sich dies auswirkt, soll im Rahmen der Jahresbetrachtung (Siehe Kapitel 5) geklärt werden.
4.2.2 Zusätzlicher Kühlbedarf
Der zusätzliche Kühlbedarf (Siehe Abbildung 18) als Gradmesser für die Leistungsfähigkeit der verschiedenen Systeme bietet sich insofern an, dass davon ausgegangen wird, dass bisher die benötigte Kühlleistung durch eine konventionelle und energieintensive Klimaanlage bereitgestellt wurde. Diese gilt es zu ersetzen oder zumindest den Nutzungsumfang deutlich zu reduzieren. Nicht inbegriffen ist die Kühlleistung der Kühldecke oder des Fluidglases, daher auch die Bezeichnung zusätzlicher Kühlbedarf.
Abbildung 18: zusätzlicher Kühlbedarf bezogen auf die Raumfläche, Westausrichtung, 21.07., TRY München
-20
0 20 40 60 80 100 120 140 160
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Zusätzlicher Kühlbedarf/Raumfläche [W/m²]
Stunde [h]
Fluidglas eingefärbt Fluidglas klar SSV+Kühldecke SSV
Wie in Abbildung 18 zu sehen, kommt das eingefärbte Fluidglas-Szenario gänzlich ohne eine zusätzliche Kühlung aus. Mit diesem System kann die thermische Behaglichkeit somit in jedem Falle gewährleistet werden. Die anderen Szenarien sind hingegen auf eine zusätzliche Kühlung angewiesen. Den größten Bedarf hat - wie zu erwarten - das Szenario 4, das im Gegensatz zu den anderen Szenarien keine Komponenten zur Wärmeabfuhr besitzt. Es eignet sich daher sehr gut um abzuschätzen, welche Vorteile der Einbau einer Kühldecke oder eines Fluidglases mit sich bringt. Das klare Fluidglas-Szenario hat maximal einen um 37 W/m² (Raumfläche) größeren Kühlbedarf als das Szenario SSV+Kühldecke;
spart aber gegenüber dem reinen SSV-Szenario max. 43W/m².
Diese Unterschiede zwischen den Szenarien Fluidglas klar und SSV+Kühldecke liegen in der maximalen Kühlleistung und der zur Verfügung stehenden Kühlfläche begründet: Das Fluidglas hat eine Fenster- und somit Kühlfläche von 10,5m², während die Kühldecke die Gesamte Raumdecke abdeckt und damit eine Fläche von 17,5m² besitzt. Dazu kommt, dass die Kühldecke aufgrund eines besseren Wärmeübergangskoeffizienten (Kühldecke:
13,3W/m²K; Fluidglas: 8W/m²K) auf eine max. Kühlleistung von 80W/m² kommt, während das Fluidglas unter den gemachten Annahmen bei 64W/m² die maximale Kühlleistung erreicht hat. Veranschaulicht wird die Leistungsfähigkeit der Kühlung in Abbildung 19:
Abbildung 19: Kühlleistung der Kühleinrichtungen (Fluidglas/Kühldecke), bezogen auf die Raumfläche, 21.07., München, TRY
Abbildung 19 zeigt, dass das eingefärbte Fluidglas-Szenario nur sehr knapp die maximale Kühlleistung nicht erreicht. Es ist zu berücksichtigen, dass die Kühlleistungen der Fluidglas- Szenarien zur besseren Vergleichbarkeit auf die Raumfläche bezogen abgebildet wurden.
Ihre eigentliche Bezugsgröße ist jedoch die Fensterfläche.
-90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Kühlleistung/Raumfläche [W/m²]
Stunde [h]
Fluidglas eingefärbt Fluidglas klar SSV+Kühldecke SSV
4.2.3 Energiebilanzen
Durch die Energiebilanzen der einzelnen Szenarien sollen die Vor- und Nachteile des Fluidglases im Vergleich zu den Vergleichsszenarien deutlich werden. Zunächst als Benchmark-Szenario die Sonnenschutzverglasung:
Abbildung 20: Energiebilanz; SSV; München, 21.07. TRY
Der Wärmedurchgang, der maßgeblich von der Größe des -Wertes abhängt, ist am Standort München im Verhältnis zu den solaren Gewinnen sehr gering. Zum einen ist dieser bei der SSV mit 0,7W/m²K im Verhältnis zu einer herkömmlichen Zweischeiben- Isolierverglasung, die einen -Wert von ungefähr 2 bis 3W/m²K hat, sehr gering [Datenblatt Zweischeiben-Isolierverglasung]. Zum anderen gilt für den Wärmedurchgang:
̇ ( )
Und somit ist die Temperaturdifferenz zwischen Raumtemperatur und Umgebungstemperatur der zweite entscheidende Faktor. Am Standort München beträgt sie maximal 4,1K.
Obwohl die Sonnenschutzverglasung einen g-Wert von 0,26 hat, während eine herkömmliche Zweischeinen-Isolierverglasung einen g-Wert von 0,78 aufweist, sind die solaren Einträge selbst hier sehr groß. Dies wird besonders deutlich, wenn die solaren Gewinne abgeführt werden sollen, wie in Abbildung 21 zu sehen ist:
-3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Wärmestrom [W]
Stunde [h]
SSV
Heiz-/Kühlbedarf Wärmedurchgang interne Lasten solare Gewinne
Abbildung 21: Energiebilanz, SSV + Kühldecke, 21.07. TRY
Selbst mit einer Kühldecke, die an der kompletten Decke mit einer Oberflächentemperatur von 20°C betrieben wird und damit eine Kühlleistung von 80W/m² erbringt, kann keine ausgeglichene Energiebilanz bewerkstelligt werden. Hier muss man sich jedoch im Klaren darüber sein, dass es sich bei dem betrachteten Tag um den absoluten ‚Worst Case‘
handelt. Es kann davon ausgegangen werden, dass aufgrund der getroffenen Annahmen, wie z.B. die Vernachlässigung der thermischen Masse des Raumes oder Lüftung, ein solches Szenario gänzlich ohne zusätzliche Kühlungsmechanismen betrieben werden kann.
Der Nachweis, inwieweit die Anforderungen an einen sommerlichen Wärmeschutz hier erfüllt wurden, wurde nicht geführt. [6:156]
Während bei der Sonnenschutzverglasung der Wärmedurchgang als Eintrag zu berücksichtigen ist, wird beim Fluidglas über die Verglasungsfläche gekühlt. Über die Wärmetransportmechanismen Strahlung und Konvektion stellt die innere Glasscheibe den Kühlmechanismus der Fluidglas-Szenarien dar.
-3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Wärmestrom [W]
Stunde [h]
SSV + Kühldecke
Heiz-/Kühlbedarf Wärmedurchgang Kühldecke interne Lasten solare Gewinne
Abbildung 22: Energiebilanz, klar, München, 21.07. TRY
Abbildung 22 zeigt sehr deutlich die maximale Leistungsfähigkeit des Fluidglases. Während auch hier gilt, dass dieser Tag einen Extremfall darstellt, wird das klare Fluidglas-Szenario auf das Jahr gesehen ein zusätzliches Kühlsystem benötigen. Der Vergleich zum Szenario SSV zeigt jedoch, dass dieses von geringerer Leistung sein müsste.
Abbildung 23: Energiebilanz, eingefärbt, München, 21.07. TRY
Die in Abbildung 23 dargestellte Energiebilanz des eingefärbten Fluidglas-Szenarios zeigt deutlich den Vorteil der Einfärbung: Die solaren Einträge in den Raum können sehr stark reduziert werden und dementsprechend gering ist der Wärmestrom, der über die innere Fluidschicht abgeführt werden muss. Dadurch reicht die Kühlleistung des Fluidglases aus und es muss kein weiteres Kühlsystem verbaut werden.
-3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Wärmestrom [W]
Stunde [h]
Fluidglas klar
Heiz-/Kühlbedarf Abfuhr Fluidglas interne Lasten solare Gewinne
-3000 -2000 -1000 0 1000 2000 3000
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Wärmestrom [W]
Stunde [h]
Fluidglas eingefärbt
Heiz-/Kühlbedarf Abfuhr Fluidglas interne Lasten solare Gewinne
4.2.4 Wärmeströme Definition
Unter einem Wärmestrom versteht man die Enthalpiestromdifferenz der Zustände am Ein- und Austritt eines betrachteten Systems.
Abbildung 24: Wärmeübertragung [24:70]
Für den Wärmestrom gilt:
̇ ̇ ̇
Der Enthalpiestrom stellt die Stromgröße der spezifischen Zustandsgröße Enthalpie dar.
̇ ̇
Für die Enthalpie gilt im Einphasengebiet, dass sie druck- und temperaturabhängig ist.
Im vorliegenden Fall ist die Druckdifferenz zu vernachlässigen, da sich die zu erwartenden Werte weit unter dem Bereich des kritischen Punktes befinden. [24:74]
Somit gilt für die Enthalpie:
Für den Wärmestrom kann im betrachteten Fall die folgende Formel angesetzt werden:
̇ ̇
Bezogen auf die Betrachtung am Fluidglas stellt ̇ den Wärmestrom dar, der zwischen Raum und Fluidschicht, bzw. Umgebung und Fluidschicht ausgetauscht wird. Eine Erhöhung des Wärmestroms zieht damit eine Erhöhung des Massenstroms oder der Temperaturdifferenz mit sich. Beide Regelungsarten sind im Fluidglas-System möglich und können je nach Umgebungsparameter oder Verwendungszweck der Kollektorgewinne gewählt werden. Um diesbezüglich keine Vorauswahl zu treffen, wird in den nachfolgenden Berechnungen davon ausgegangen, dass ein infinitesimales Element vorliegt, das eine konstante Fluidtemperatur besitzt. Bezogen auf die gesamte Fassadenfläche kommt dies dem Fall eines sehr großen Fluidmassenstroms bei sehr kleiner Temperaturdifferenz nahe.
Inwieweit dies zu Ungenauigkeiten führt, wird in Kapitel 7.2 genauer untersucht.
Wärmeströme am Fluidglas
Aus energetischer Sicht liegt die aufgestellte Energiebilanz nahe, dass das eingefärbte Fluidglas-Szenario effizienter arbeitet. Diese Annahme ist in Bezug auf die zu- und abgeführten Wärmeströme, die im Vergleich zum klaren Szenario deutlich geringer sind, korrekt. Allerdings müssen bei der energetischen Betrachtung noch die Fragen berücksichtigt werden: Wie werden die Fluidkreisläufe temperiert? Was geschieht mit den abgeführten Enthalpieströmen?
Um die zwei Szenarien in dieser Hinsicht zu vergleichen, ist der Tagesverlauf der Wärmeströme für das klare Fluidglas in Abbildung 25 aufschlussreich.
Abbildung 25: Wärmeströme bezogen auf die Fensterfläche, klar, München, 21.07. TRY Die innere Fluidschicht hat den größten Wärmestrom abzuführen, da sie für die Raumkühlung zuständig ist. Dadurch, dass die äußere Fluidschicht nicht eingefärbt wird, absorbiert sie einen Anteil von 41,2% der energetischen, solaren Strahlung. Um 16 Uhr hat sich das Wasser in der äußeren Schicht so weit erhitzt, dass die Temperatur der Fluidschicht 40°C erreicht hat und dort gehalten wird. Die Zirkulation des äußeren Fluidkreislaufes beginnt von diesem Zeitpunkt an.
Interessant ist an dieser Stelle der Vergleich zu dem eingefärbten Fluidglas-Szenario in Abbildung 26.
-100 0 100 200 300 400 500
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24
Wärmestrom [W/m²]
Stunde [h]
Fluidglas klar
äußere Fluidschicht innere Fluidschicht
