KOMFORT FÜR PASSIVHAUS-BÜROS - ANLAGENOPTIMIERUNG UND BEWERTUNG DER THERMISCHEN BEHAGLICHKEIT AUS PRAGMATISCHER SICHT

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1 KOMFORT FÜR PASSIVHAUS-BÜROS - ANLAGENOPTIMIERUNG UND BEWERTUNG DER THERMISCHEN BEHAGLICHKEIT AUS PRAGMATISCHER SICHT Ralf Gritzki 1, Markus Rösler 1, Bernhard Lipp 2, Tobias Waltjen 2 und Thomas Zelger 2 1 TU Dresden, Institut für Energietechnik, Dresden, Deutschland 2 IBO Österreichisches Institut für Baubiologie und -ökologie, Wien, Österreich KURZFASSUNG Die in diesem Beitrag beschriebenen numerischen Untersuchungen unterschiedlichster Anlagentechnik zur Klimatisierung/Belüftung von Passivhausbüros stellen eine Fortsetzung der bereits auf der BauSIM2012 unter dem Titel KOMFORT FÜR PASSIVHAUS-BÜROS vorgestellten Arbeiten dar. Während 2012 die Analyse der prinzipiellen Eignung der Anlagenkonzepte überhaupt im Vordergrund stand, wurden in einem anschließenden Projekt die Möglichkeiten umfangreicher regelungstechnischer Optimierungen besagter Anlagentechnik untersucht, hierbei stets mit dem Ziel optimalen thermischen Komforts im Aufenthaltsbereich des Büroraums während der gesamten Belegungszeit. Aus diesem Grund erfolgte im Rahmen der Untersuchungen eine umfassende Berücksichtigung und Betrachtung der in den gültigen Vorschriften und Normen verankerten Richtwerte zur thermischen Behaglichkeit und zur Luftqualität. Dabei zeigte sich, dass keine der untersuchten Varianten die Kategorie A gemäß DIN EN ISO 7730 durchgehend und für alle relevanten Kriterien gleichermaßen gewährleisten konnte. Da dies selbst für Anlagenkombinationen gilt, die aus praktischer Sicht sehr ausgewogene klimatische Verhältnisse sicherstellen, wurden zusätzlich Bewertungsmöglichkeiten geschaffen, die von einem eher pragmatischen Blickwinkel eine vergleichende Einschätzung aller untersuchten Konfigurationen bezüglich der damit erzielbaren Behaglichkeitskennwerte ermöglichen. ABSTRACT The numerical investigations described in this paper are a continuation of a study of different systems for air conditioning / ventilation of passive house offices presented at BauSIM2012 under the title "COMFORT FOR PASSIVE HOUSE OFFICE". At that time the analysis of the basic suitability of the investigated concepts were central, in a following project the possibilities of extensive control engineering optimizations were investigated, always with the aim of optimum thermal comfort with efficient energy consumption during the entire occupancy period. It was found that none of the studied variants could ensure throughout category A according to DIN EN ISO Therefore, a comprehensive review in the regulations and standard guidelines for thermal comfort and air quality was carried out. Based on the findings from a pragmatic point of view some methods or strategies were created, to obtain a comparative assessment of all studied system configurations with respect to the reachable comfort characteristics. EINLEITUNG Aufgrund der baulichen Besonderheiten, wie beispielsweise der sehr dichten Gebäudehülle stellen die immer häufiger anzutreffenden Bürogebäude im Passivhausstandard bezüglich einer effizienten anlagentechnischen Temperierung und Belüftung stets eine große Herausforderung dar. Diesem Umstand Rechnung tragend, wurden in enger Zusammenarbeit zwischen dem IBO Wien und dem Institut für Energietechnik der TU Dresden Untersuchungen bezüglich der Eignung unterschiedlicher anlagentechnischer Lösungen zur Belüftung und Beheizung/ Kühlung von Passivhausbüros durchgeführt. Die im Rahmen dieser Untersuchungen gewonnenen Erkenntnisse wurden auszugsweise bereits auf der BauSIM2012 (Gritzki et al. 2013) vorgestellt. Dabei zeigte sich, dass sich ein allgemeingültiges optimales Anlagenkonzept, das sowohl die Anforderungen an die thermische Behaglichkeit im Heiz- als auch im Kühlfall erfüllt, nur schwer finden lässt. Aus diesem Grunde erfolgten nochmals umfassende weiterführende Untersuchungen zur Optimierung des Betriebsverhaltens und der Regelungsparameter für ausgewählte Anlagenkombinationen, wie z.b. kombinierte Heiz-/Kühlsegel oder Hochleistungskühldecken mit Quelllüftung. Insgesamt entstanden so ca. 900 Simulationen aus denen die 150 erfolgversprechendsten für die finalen Anlagenbewertungen ausgewählt wurden. Die Untersuchungen wurden wiederum mit Hilfe instationärer, gekoppelter Gebäude-, Anlagen- und Strömungssimulation durchgeführt. Somit war es, bedingt durch die hohe räumliche und zeitliche Auflösung, sowohl möglich, lokale Effekte, wie beispielsweise Luftbewegungen und Temperaturverteilungen im Bereich von Drall-Luft- und Quell

2 Luftdurchlässen, als auch alle für die energetische Bewertung und die Bewertung der thermischen Behaglichkeit relevanten Einflussgrößen zu berücksichtigen. Im Zuge dieser Untersuchungen zeigte sich, dass die in der DIN EN ISO 7730, 2006 festgelegten Kategorien, wenn sie als Grenzwerte im gesamten definierten Aufenthaltsbereich und über die gesamte Anwesenheitszeit der Nutzer eines Büros geprüft werden, in jedem untersuchten Fall zu unerwartet schlechten und aus praktischer Sicht auch übertrieben harten Bewertungen der erzielbaren thermischen Behaglichkeit führen. Aus diesem Grund wurden für die Systembewertung Methoden entwickelt, die sich einer gewissen Öffnung, die sowohl in der DIN EN 15251, 2012 als auch in der ANSI/ ASHRAE 55, 2010 im Abschnitt 5.3 ("Optional Method for Determining Acceptable Thermal Conditions in Naturally Conditioned Spaces") aufgezeigt wird, anschließen. In einer eher pragmatischen Herangehensweise werden zwar alle Kriterien der ISO 7730 benutzt, doch es wird entschieden, ob aus der lokalen Verletzung eines Kriteriums eine deutliche, nicht tolerierbare Beeinträchtigung der thermischen Behaglichkeit insgesamt zu erwarten ist. Hierbei wird eine bereits bei der summativen thermischen Behaglichkeit nach W. Richter (Richter, 2007) benutzte Vorgehensweise aufgegriffen und um räumliche und zeitliche Bewertungsmaßstäbe erweitert. Der Beitrag erhebt keinen Anspruch auf Vollständigkeit, sondern reiht sich in die Diskussion um eine neue Sicht auf die thermische Behaglichkeit unter instationären Bedingungen ein. GENUTZTES PROGRAMMSYSTEM Übersicht Für die Untersuchungen kommt das in (Knopp et al. 2005) und (Perschk, 2010) vorgestellte gekoppelte System aus thermischer Gebäude-, Anlagen- und Strömungssimulation zum Einsatz. Mit den zusätzlich geschaffenen Analysewerkzeugen ist die Berücksichtigung sämtlicher relevanter physikalischer Einflüsse auf die Behaglichkeit und Luftqualität in den definierten Untersuchungsgebieten gut möglich. Zusätzlich zu den Simulationsergebnissen selbst werden automatisierte Berichte zu den jeweiligen Simulationsrechnungen generiert. Hierdurch lässt sich die vergleichende Bewertung von einer Vielzahl unterschiedlicher Varianten erheblich vereinfachen und beschleunigen. Für eine bessere Übersicht sei das Programmsystem mit seinen einzelnen Komponenten nochmals kurz vorgestellt. Gekoppelt wird die Kombination aus thermischer Gebäude- und Anlagensimulation und Raumluftströmungssimulation im Zeitbereich über einen wechselseitigen Randbedingungsaustausch an den Interfaceflächen beider Modelle. Hierbei werden, abhängig von den jeweils betrachteten Transportgrößen, Randbedingungswerte für Impulstransport, Wärme, Feuchte, Schadstoffbelastung und Luftalter ausgetauscht. Nachfolgend seien die Programmkomponenten sowie die Spezialitäten der Auswertungsroutinen kurz umrissen. Gebäude- und Anlagensimulation TRNSYS-TUD Für die Gebäude- und Anlagensimulation, welche die Abbildung der baulichen Hülle, der klimatischen Verhältnisse und der eingesetzten Anlagentechnik beinhaltet, kommt mit TRNSYS-TUD ein auf dem Simulationsprogramm TRNSYS basierendes institutsinternes Softwarepaket zum Einsatz (Perschk, 2010). Die Validierung des Programpaketes erfolgt permanent anhand einschlägiger Richtlinien und Testfälle (z. B. DIN EN ISO 13791, DIN EN und 15265, VDI 6007). Strömungssimulation ParallelNS Zur Untersuchung der lokalen Strömungsverhältnisse ausgewählter Gebäudebereiche wird das Programmsystem ParallelNS (Knopp et al., 2005) eingesetzt. ParallelNS ist ein Finite Elemente basiertes (GLS-FEM) Strömungssimulationsprogramm, das speziell für die Berechnung von transienten, nichtisothermen, inkompressiblen, turbulenten Raumluftströmungen optimiert wurde, (Gritzki, 2001). Hierbei ist insbesondere die Möglichkeit einer weitgehend gitterunabhängigen Berechnung des konvektiven Wärmeübergangs an Wänden durch lokale Grenzschichtiterationen hervorzuheben (Neitzke, 1999). Innerhalb des Programmsystems wurde die Möglichkeit geschaffen, das Verhalten beliebiger weiterer Transportgrößen, wie Luftalter, Wassergehalt oder CO 2 -Verteilung im Sinne passiver Skalare zu simulieren. Weiterhin wurde der Austausch mit TRNSYS-TUD derart erweitert, dass neben den bereits vorhandenen Größen beliebige interne Quellen für Feuchte, Energie und weitere Transportgleichungen im Zeitbereich variabel Berücksichtigung finden. Das Programmsystem wird schließlich durch zusätzliche Komponenten für die Bewertung der thermischen und hygienischen Behaglichkeit auf Basis der ermittelten Simulationsdaten abgerundet. Bewertungskriterien und -werkzeuge An dieser Stelle sei nochmals kurz auf die für eine umfassende Bewertung der untersuchten Anlagenkonzepte verfügbaren lokalen und summativen, integralen Kenngrößen eingegangen. Weiterführende Informationen hierzu findet man in (Richter, 2007), (Gritzki et al. 2013) sowie den einschlägigen Normen

3 Fifth German-Austrian IBPSA Conference Für die Bewertung der Behaglichkeit aus thermischer und hygienischer Sicht stehen infolge der Strömungssimulation räumlich und zeitlich hoch aufgelöst als Feldgrößen zur Verfügung: die Lufttemperatur ϑ L, Die thermisch neutrale Ebene ist grün eingefärbt. Der lokale Luftaustauschindex stellt ein normiertes Maß für die Verweilzeit der Raumluft im Untersuchungsgebiet und somit für die Luftqualität und die a Frischluftversorgung dar. Werte von ε p, t >1 stehen die mittlere Luftgeschwindigkeit v m, a für eine sehr gute Frischluftversorgung, ε p, t um 1 entspricht einem Luftalter, das bei idealer Durchmischung erreicht würde. Geringere Werte zeigen Bereiche mit älterer Luft und eventuelle Kurzschlusserscheinungen auf, siehe auch (Gritzki, 2001). das lokale Luftalter τ p, die CO 2 -Verteilung, der Wassergehalt, der Turbulenzgrad. Zudem werden weitere abgeleitete Größen, wie: die Operative Temperatur ϑ op, der vertikale Lufttemperaturgradient (0,1m-1,1m), das vorausgesagte mittlere Votum PMV, Kriterien bezüglich der Strahlungsasymmetrie, a der lokale Luftaustauschindex ε p, t und das Zugluftrisiko DR in % ermittelt. Die Größen DR und PMV sind empirische, aus den einzelnen Feldgrößen und weiteren Randbedingungen abgeleitete Bewertungskriterien. Mit dem Zugluftrisiko DR besteht die Möglichkeit, den Prozentsatz Unzufriedener infolge von Zugluftbelastungen im Knöchel- und Nackenbereich zu bestimmen. Das Predicted Mean Vote, PMV sagt aus, wie Personen im Mittel die gegebenen raumklimatischen Verhältnisse bewerten würden. Bei Werten unter Null wird das Klima als zu kalt, bei Werten über Null als zu warm empfunden. Abbildung 1 zeigt beispielhaft eine Darstellung der Abhängigkeiten dieses Kriteriums von der mittleren Luftgeschwindigkeit, der Luft- sowie der Strahlungstemperatur. Um aus der Vielzahl der zur Verfügung stehenden Kenngrößen schnell eine Bewertung der aktuellen klimatischen Situation gewinnen zu können, werden die Resultate der Einzelgrößen automatisiert zu ausgewählten Zeitpunkten in die entsprechenden vorgeschlagenen Kategorien gemäß DIN EN ISO 7730 eingeordnet (A: höchste Kategorie, C: niedrigste Kategorie). Diese Einordnung erfolgt jedoch ausschließlich innerhalb der jeweils definierten Aufenthaltszone, siehe Abbildung 2, graue Bereiche. Über- oder Unterschreitungen der relevanten Behaglichkeitskriterien außerhalb der definierten Aufenthaltsbereiche werden nicht berücksichtigt. Abbildung 2: Geometrie des untersuchten Büroraumes mit unterschiedlichen Aufenthaltszonen, hier mit Kühlsegel Abbildung 1 Predicted Mean Vote (PMV) in Abhängigkeit von mittlerer Geschwindigkeit, Luftund Strahlungstemperatur bei 50% rel. Luftfeuchte für einen normal bekleideten Büronutzer, 1 clo. Die Berechnung der Kategorien gemäß DIN EN ISO 7730 erfolgt jetzt nochmals auf zwei Arten. Zum einen werden im Sinne von Extremwerten alle Daten der jeweils relevanten Aufenthaltszone, also beispielsweise hier für sitzende Personen im Bereich von z=0.1m bis z=1.3m Höhe (rote Umrandung, Abbildung 2) ausgewertet und daraus die integralen Kategorien der Kriterien gebildet. Die kleinste Überschreitung, sei es auch nur an einem Punkt, führt hier zu einem Verlust der entsprechenden Kategorie. Da diese auf jeden untersuchten Raumpunkt bezogene Bewertung jedoch aus Sicht der Autoren als zu strikt eingeschätzt wird, erfolgt zusätzlich eine nochmalige Filterung. Hierbei werden beispielsweise in fünf Volumenprozent der Aufenthaltszone Über

4 bzw. Unterschreitungen der Kriterien zugelassen. Somit sind die betroffenen Resultate im Sinne von mit wenigen Ausnahmen der jeweils höheren Kategorie zuzuordnen. Mit diesen zwei Typen von integralen Kennzahlen gelingt es, eine Situation schnell einzuordnen, ohne dreidimensionale Grafiken der Feldgrößen studieren zu müssen, oder auch umgekehrt, die Bewertung, die mit Hilfe der entsprechenden Grafiken gefunden wurde, nochmals zu vertiefen. Diese Methodik lässt sich im Zeit- und Raumbereich auch noch weiter verfeinern, indem etwa für besondere Aufenthaltsbereiche die Toleranzgrenzen verschärft oder auch erweitert werden. Einem Vorschlag von W. Richter (Richter, 2007) folgend, werden für eine ganzheitliche Beurteilung einer Situation zu einem ausgewählten Zeitpunkt hinsichtlich der Behaglichkeit aus thermischer und hygienischer Sicht alle Einzelkriterien nochmals zusammengefasst betrachtet. Hierbei wird unter der Bezeichnung TTC (Total Thermal Comfort) letztlich immer nur die Kategorie vergeben, die mindestens von allen Einzelkriterien erreicht wurde. Wenn ein Kriterium keine Kategorie erreicht, erhält folglich auch die summative thermische Behaglichkeit TTC keine Kategorie. So ist es möglich, jeden Zeitpunkt einer durchgeführten Simulation sofort und sehr schnell mit Hilfe dieser einen Größe und ihrer zusätzlichen 5%-Wichtung zu beurteilen. Eine zeitliche Wichtung über die Aufenthaltszeit, wie es in der DIN EN vorgeschlagen wird, ist ebenfalls möglich. In den nachfolgenden Abschnitten folgen hierzu einige interessante Fallbeispiele. Bei der Berechnung des TTC und der beschriebenen 5%- Wichtungen wird natürlich berücksichtigt, dass die Größen PMV-Index und vertikaler Lufttemperaturgradient für den lokalen Körperschwerpunkt gebildet werden müssen, also in vertikaler Richtung (z-achse) konstant bleiben. Gleiches gilt für das Zugluftrisiko im Knöchel-, Nackenbereich, das auch nur für z = 0,1 m bzw. z = 1,1 m ermittelt werden muss. AUSGEWÄHLTE RESULTATE Bevor Auszüge der Resultate der durchgeführten Optimierungsrechnungen diskutiert werden, soll der als Untersuchungsgegenstand verfügbare Büroraum im Passivhausstandard nochmals kurz vorgestellt werden. Der modellierte Büroraum Die geometrischen Details des untersuchten Büroraums sind in Abbildung 3 zu erkennen. Neben der Fensterfront links oberhalb der Brüstung sind auch alle in den Untersuchungen modellierten Zu- und Abluftöffnungen sowie die drei Personen, das Mobiliar und die 15 unterschiedlichen Sensorpositionen (grün) sichtbar. Die Abmaße des Büros betragen: Breite x Tiefe x Höhe = 5,3 m x 5,8 m x 3,3 m. Im Falle von Untersuchungen mit abgehängter Decke wurde diese auf 3,0 m abgesenkt. Das Abluftgitter befindet sich rechts oberhalb der Innentür. Die einzelnen Zuluftöffnungen sind variabel zu-/abschaltbar und wurden für die CFD-Simulation geometrisch detailliert nachgebildet. Zusätzlich wurden Wandaufbauten für Betonkernaktivierung, Fußboden- und Deckentemperierung sowie Hochleistungskühldecken integriert. Abbildung 3: Untersuchter Büroraum mit schematischer Darstellung aller Zu- und Abluftöffnungen sowie Sensorpositionen Die Fensterfront ist mit einer Außenverschattung versehen, die die direkte Solarstrahlung vollständig und die diffuse Solarstrahlung zu 10% abschirmt. Bezüglich weiterer anlagentechnischer und bauphysikalischer Details, speziell bezogen auf die Wandaufbauten sei auf (Waltjen et al., 2011) und (Gritzki et al., 2013) verwiesen. Als Nutzungszeitraum für die Büros wurde werktags ein Zeitfenster zwischen 08:00 Uhr und 18:00 Uhr angesetzt. Die Nutzung des Büros spiegelt sich in entsprechenden lokalen und globalen thermischen Quellen für Nutzer, Technik und Beleuchtung und CO 2 -Quellen für die Nutzer wider. Dabei werden die nutzerspezifischen Quellen direkt in der Umgebung der modellierten Personen freigesetzt. Auch hier sei für weitere Details auf (Gritzki et al., 2013) verwiesen. Bezüglich der Wettersituationen wurde für den Heizfall von einer Abfolge identischer Wintertage mit konstanter Außentemperatur (t a = -5 C) und bedecktem Himmel ausgegangen. Im Kühlfall dagegen wiederholte sich ein heißer sonniger Sommertag mit Temperaturen zwischen 16 C und 30 C. Der Bekleidungsgrad der Personen für die Ermittlung des PMV variierte dementsprechend. Anlagentechnische Details / Varianten Als Grundluftwechsel wurde in jeder untersuchten Variante ein Volumenstrom von 105 m 3 /h, jeweils mit der anlagenbezogen vorgegebenen Eintrittstemperatur den jeweiligen Zuluftöffnungen zugewiesen. Die Anlagentechnik wurde, entsprechend der aktuellen Optimierungsstrategie nach der operativen Temperatur, geeigneten Wandtemperaturen (Betonkern

5 Fifth German-Austrian IBPSA Conference aktivierung) oder der Lufttemperatur an unterschiedlichsten Sensorpositionen geregelt. Die Zielgröße für die Regelungsstrategie stellte dabei stets die schnellst- und bestmögliche Einhaltung der Behaglichkeitskriterien nach DIN EN ISO 7730 im Aufenthaltsbereich der Personen während ihrer Anwesenheitszeit dar. Als Varianten für die Anlagenoptimierung wurden sowohl Systeme mit getrennter Belüftung und Temperierung (z.b. Quellluftsysteme mit Heiz- / Kühldecken), als auch Systeme mit kombinierter Belüftung und Temperierung (Weitwurfdüsen mit Heiz-/ Kühlfunktion) ausgewählt. Insgesamt beinhaltete die Untersuchungsmatrix 20 anlagentechnische Varianten, aus denen infolge der zu untersuchenden Optimierungsstrategien schließlich 150 finale, auszuwertende Simulationsrechnungen ausgewählt wurden. Die Sensorposition für die Kühldeckenregelung befand sich hierbei stets in 0,6 m Höhe zwischen den zwei Personen, siehe Abbildung 3. In Abbildung 4 sind die inneren Oberflächentemperaturen für die Variante V-01 um 10 Uhr dargestellt. Man erkennt gut die Kühldecke und den unterhalb der Fensterfront befindlichen Quellluftauslass. Zudem ist in Abbildung 5 der zeitliche Verlauf verschiedener Sensortemperaturen am 15. Tag sichtbar, Abbildung 6 zeigt den PMV-Index, wieder für 10 Uhr. Simulationsdetails Die Gitter der zugrundeliegenden Berechnungsgebiete bestanden aus bis Tetraeder-Elementen jeweils in Abhängigkeit der erforderlichen geometrischen Detailstärke. Nach einer 14tägigen Einschwingphase der Gebäudesimulation ohne CFD-Ankopplung startete die vollständig gekoppelte Berechnung stets am 15. Tag (Montag) um 0:00 Uhr, und erstreckte sich über den gesamten Tag bis 24:00 Uhr. Dementsprechend lagen alle relevanten Ergebnisgrößen für die kompletten 24 Stunden dieses 15. Tages vor. Abbildung 4: Oberflächentemperaturen der Umfassungsflächen, 10 Uhr, Variante A-01 ERGEBNISSE DER OPTIMIERUNGEN Aus den untersuchten Basisvarianten seien stellvertretend die Ergebnisse einer ausgewählten Anlagenkombination vorgestellt. Hierbei handelt es sich um die Variante Hochleistungskühldecke mit Quelllüftung im Kühlfall, für die einige ausgewählte Optimierungsansätze zur Diskussion aufbereitet wurden. Kühldecke und Quelllüftung, Kühlfall Die Anlagenkombination aus Quelllüftung und Hochleistungskühldecke stellt aufgrund ihres flinken Regelverhaltens und durch die Trennung von Kühlung und Belüftung ein verhältnismäßig gut zu regelndes / optimierendes System dar. Im Zuge der Anlagenoptimierung erfolgte neben der Variation der Sensorpositionen für die Regelung und der Sensorsolltemperaturen zwischen 24,5 C und 26 C auch eine Anhebung der Untertemperatur der Quellluft von 4K auf 1K. Für den Vergleich kommen stellvertretend drei Systemkonfigurationen zum Einsatz. Abbildung 5: Zeitliche Verläufe von Sensor-, Zuluftund Ablufttemperatur am 15. Tag, Variante V-01 V-01: Δϑ QUELL =4 K, ϑ OP,SOLL =26,0 C V-02: Δϑ QUELL =4 K, ϑ OP,SOLL =24,5 C V-03: Δϑ QUELL =1 K, ϑ OP,SOLL =24,5 C Abbildung 6: Ebene des PMV-Index in 0,6m Höhe, 10 Uhr, Variante V

6 Anhand des Diagramms zeigt sich, dass der geforderte Sollwert ( Regler ist ) von 26 C im Sensorpunkt sehr gut von der Kombination aus Kühldecke und Quellluftauslass eingehalten wird. Zudem ist an den Sensoren für Zu- und Abluft der bei Quellluft typische vertikale Temperaturgradient im Raum erkennbar. Allerdings führt der Sollwert von 26 C dazu, dass die Werte des PMV-Index und der Operativen Temperatur in den Abbildungen 6 und 7 eine erhebliche Verletzung der Behaglichkeitskriterien gemäß DIN EN ISO 7730 anzeigen. Noch deutlicher wird es, wenn man die integralen Werte der Kategorien der Behaglichkeitskenngrößen gemäß DIN EN ISO 7730 in Tabelle 1 betrachtet. Tabelle 1: Kategorien nach ISO 7730 in der Aufenthaltszone, gewichtet > 5% Variante V-01, Uhr Größe Kategorie Anteile in % A B C PMV > C 0,8 17,7 19,7 Δϑ S A Δϑ L,v,0,1-1,1 C 2, ,4 DR A Δϑ OP -w L C 4,6 19,3 76,1 TTC > C 0,8 16,9 19,5 Hier zeigt sich, dass die Werte des PMV innerhalb der Aufenthaltszone den Grenzwert der Kategorie C in deutlich mehr als den 5 zugelassenen Volumenprozent überschreiten. Zudem erkennt man anhand der Kategorie C des vertikalen Lufttemperaturgradienten (zwischen 0,1 m und 1,1 m Höhe), Δϑ L,v,0,1-1,1 wieder das für Quellluftsysteme mit der hier vorgegebenen Untertemperatur typische Auftreten eines Frischluftsees und des damit einhergehenden vertikalen Lufttemperaturgefälles. Die hohen Operativen Temperaturen im oberen Bereich der Aufenthaltszone, siehe Abbildung 7, führen bei der kombinierten Temperatur-Geschwindigkeitsbewertung, Δϑ OP-wL, ebenfalls nur zum Erreichen der Kategorie C. Abbildung 7: Operative Temperatur in Vertikalschnitten, 10 Uhr, Variante V-01 Die Strahlungsasymmetrie Δϑ S und das Zugluftrisiko DR liegen dagegen in der höchstmöglichen Kategorie A. Insgesamt kann allerdings in dieser Variante nur ein Wert für die summative thermische Behaglichkeit außerhalb der Kategorie C erzielt werden. Eine Reduzierung des Sollwertes der Operativen Temperatur auf 24,5 C gemäß Variantenspezifikation V-02 verbessert die Situation deutlich. Auch hier ist die Anlagentechnik gut in der Lage, die im Tagesverlauf anfallenden thermischen Lasten zu kompensieren und den geforderten Sollwert einzuhalten, siehe auch Abbildung 8, grüne Kurve. Abbildung 8: Zeitliche Verläufe von Sensor-, Zuluftund Ablufttemperatur am 15. Tag, Variante V-02 In Tabelle 2 erfolgte wieder die Darstellung der erzielten Kategorien gemäß DIN EN ISO Anhand der Daten in Tabelle 2 und der Darstellung des PMV-Index in Abbildung 9 erkennt man, dass aufgrund der Sollwertreduzierung alle Kriterien der thermischen Behaglichkeit im gesamten Aufenthaltsbereich gut eingehalten werden. Tabelle 2: Kategorien nach ISO 7730 in der Aufenthaltszone, gewichtet > 5%, Variante V-02, Uhr Größe Kategorie Anteile in % A B C PMV B 24,6 75,1 0,4 Δϑ S A Δϑ L,v,0,1-1,1 C 7,3 82,8 9,9 DR A Δϑ OP -w L A TTC C 2,5 88 9,5 Die Werte des vertikalen Lufttemperaturgradienten liegen letztlich auch lediglich in ca. 10 % der Aufenthaltszone in Kategorie C, sonst überwiegend in Kategorie B. In Tabelle 2 zeigt sich zudem der Effekt der toleranteren Bewertung der Kenngrößen. Würde man jede lokale Überschreitung berücksichtigen, könnte für diese Variante beim PMV-Index auch nur Kategorie C vergeben werden

7 Fifth German-Austrian IBPSA Conference Dass die Funktion der Quelllüftung trotz der deutlich geringeren Untertemperatur dennoch gewährleistet ist, zeigt Abbildung 12. Abbildung 9: Ebene des PMV in 0,6m Höhe, 10 Uhr, Variante V-02 Eine zusätzliche Reduzierung der Untertemperatur der Quellluft gemäß Variante V-03 führt zudem zu einer deutlichen Verringerung des vertikalen Lufttemperaturgradienten, der jetzt auch die Kategorie A erfüllt, siehe Tabelle 3. Tabelle 3: Kategorien nach ISO 7730 in der Aufenthaltszone, gewichtet > 5%, Variante A-03, Uhr Größe Kategorie PMV Δϑ S Δϑ L,v,0,1-1,1 DR Δϑ OP -w L TTC B A A B A B Anteile in % A B C ,8 0,2 0 96,8 3, Um dies zu erklären, wurden in den Abbildungen 10 und 11 Vertikalschnitte der Lufttemperaturen der Varianten V-02 und V-03 dargestellt. Die Lufttemperaturverteilung ist in Variante V-03 deutlich gleichmäßiger und der Frischluftsee weniger kühl. Die Reduzierung der Untertemperatur führt des Weiteren zu einer Leistungserhöhung der Kühldecke, was wiederum eine zusätzliche Vergleichmäßigung der Operativen Temperatur im gesamten Raum zur Folge hat. Abbildung 10: Lufttemperatur in Vertikalschnitten, 10 Uhr, Variante V-02 Abbildung 11: Lufttemperatur in Vertikalschnitten, 10 Uhr, Variante V-03 Anhand der Vertikalschnitte des lokalen Luftaustauschindex kann man sehr gut die Auftriebserscheinungen in der unmittelbaren Umgebung der Personen und den Transport frischer Luft in den Aufenthaltsbereich erkennen. (Hohe Werte des Index bedeuten hierbei, wie bereits erläutert, jüngere Luft.) Abbildung 12: Luftaustauschindex in Vertikalschnitten, 10 Uhr, Variante V-03 Insgesamt verdeutlicht das Beispiel gut, dass man mit Hilfe der hier vorgestellten Bewertungsverfahren in der Lage ist eine umfassende Systembeurteilung unterschiedlicher Anlagenkonzepte schnell und effizient durchzuführen. Da die Informationen zudem auch im Zeitbereich vorliegen, ist neben der hier vorgestellten räumlichen auch eine zeitliche Filterung der Extremwerte möglich, wie das auch schon innerhalb der DIN EN vorgeschlagen wird. Ohne die zusätzliche räumliche Filterung würden Systeme, wie die hier vorgestellte Anlagenkombination aufgrund geringfügiger lokaler Grenzwertüberschreitungen insgesamt deutlich weniger behaglich eingestuft, als sie es aus Sicht der Anwender eigentlich sind. Im Laufe der Diskussionen um die Bewertungen zur thermischen Behaglichkeit wurde außerdem noch ein

8 pragmatischer Zugang eines grünen Bereiches gewählt. Dementsprechend gestaltet sich auch die Wahl der Farbskalen, z.b. in den Abbildungen 9 bis 11. Hierbei wird zudem unterschieden, welcher Parameter etwa die Verletzung einer Behaglichkeitskategorie verursacht hat. Ist es der PMV-Index, dann wird von einer Anpassungsmöglichkeit der Person ausgegangen und keine maßgebliche Beeinträchtigung der thermischen Behaglichkeit festgestellt. Ist jedoch ein erhöhtes Zugluftrisiko der Auslöser, siehe Tabelle 3 und Abbildung 13, wird dies mit einer Beeinträchtigung der thermischen Behaglichkeit angezeigt, da hier eine Anpassung des Nutzers schwierig scheint. Abbildung 13: Zugluftrisiko im Knöchelbereich, 10 Uhr, Variante A-03 Verletzung der Kategorie A im hinteren Bereich aufgrund abfallender Kaltluft von der Kühldecke ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK Auf Basis der hier vorgestellten Simulationssoftware in Verbindung mit den zusätzlich geschaffenen Analysewerkzeugen wurde eine sehr umfangreiche Variantenmatrix zur Anlagenoptimierung verschiedener Lüftungskonzepte simuliert und bewertet. Dabei zeigte sich, dass selbst bei maximal optimierter Anlagentechnik keine der untersuchten Varianten die höchste Kategorie A der thermischen Behaglichkeit nach DIN EN ISO 7730 während der gesamten Belegungszeit und für alle Kriterien sichern kann, sofern man die in der Norm enthaltenen Berechnungsvorschriften direkt nutzt. Allerdings ist es für eine große Zahl von Varianten problemlos möglich, die Kategorien A, B oder einen grünen Bereich zu erreichen, wenn man die hier vorgestellte Betrachtungsweise der abgewogenen, geringfügigen Überschreitung der Grenzwerte, beispielsweise beim PMV-Index zulässt. Damit ist auch ein umfassenderer Vergleich der einzelnen Optimierungsansätze und Anlagenvariationen untereinander möglich, da bei einer strikten Betrachtungsweise viele energetisch günstige Ansätze sofort aus dem Blickfeld geraten. Die Resultate der Systemvergleiche selbst folgen in einer weiteren Veröffentlichung, da sie den verfügbaren Rahmen dieses Beitrages erheblich überschreiten würden. LITERATUR ASHRAE 55 Standard, Thermal Environmental Conditions for Human Occupancy, DIN EN 15251, Eingangsparameter für das Raumklima zur Auslegung und Bewertung der Energieeffizienz von Gebäuden Raumluftqualität, Temperatur, Licht u. Akustik; Beuth Verlag, Berlin, BRD DIN EN ISO 7730, Ergonomie der thermischen Umgebung Analytische Bestimmung und Interpretation der thermischen Behaglichkeit; Beuth Verlag, Berlin, BRD. Perschk, A Gebäude- und Anlagensimulation Ein Dresdner Modell. GI Gesundheitsingenieur / Haustechnik / Bauphysik / Umwelttechnik, Bd. 131, Nr.4 Gritzki, R Bestimmung der Effektivität nutzerbedingter Fensterlüftung mit Hilfe numerischer Simulationsverfahren, Der Andere Verlag, Osnabrück, BRD. Gritzki, R., Rösler, M. Waltjen, T., Zelger, T Komfort für Passivhaus-Büros Planungsunterstützung mit Hilfe gekoppelter Gebäude-, Anlagen und Strömungssimulation. Bauphysik, Heft 1. Ernst & Sohn ISSN Knopp, T., Lube, G., Gritzki, R., Rösler, M A near-wall strategy for buoyancy-affected turbulent flows using stabilized FEM with applications to indoor air flow simulation. Computer Meths. Applied Mechan. Engrg. 194, Neitzke, K.-P Experimentelle Untersuchung und numerische Modellierung von wandnahen thermischen Auftriebsgrenzschichten, Dissertation, TU Dresden, BRD Richter, W Handbuch der thermischen Behaglichkeit Sommerlicher Kühlbetrieb - Forschungsbericht Bundesanstalt für Arbeitsschutz und Arbeitsmedizin, ISBN Waltjen, T. et al., Komfort für Passivhausbüros, IBO Österreichisches Institut für Baubiologie und ökologie, Wien Waltjen, T., Lipp, B., Zelger, T., Gritzki, R., Rösler, M Regulation of displacement ventilation systems combined with surface heating/cooling in passive house office model rooms. SB13 Graz, Sustainable Building Conference 2013, , TU Graz, Austria