Bürogebäude Vermessungsbüro Lamparter in Weilheim

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1 Bürogebäude Vermessungsbüro Lamparter in Weilheim Thermisches Gebäudeverhalten TOS-EB-JPt Auftraggeber: FH Stuttgart Hochschule für Technik Bearbeitung Jens Pfafferott Freiburg im Dezember 2002

2 Dieser Bericht enthält 60 Seiten mit Anhang. Fraunhofer ISE Gruppe Solares Bauen Freiburg, Dr. Karsten Voss Gruppenleiter Solares Bauen Dipl.-Ing. Jens Pfafferott Projektleiter Fraunhofer ISE, Rev Seite 2

3 I n h a l t s v e r z e i c h n i s 1 Kurzfassung Einleitung Aufgaben, Methodik und Gebäudekonzept Aufgaben und Ziele Methode Gebäude- und Lüftungskonzept...9 Büroräume Nord/Ost und Süd/West Messtechnik und Datenaufbereitung Messwerte aus der zentralen Messdatenerfassung Luftwechselmessungen und Strömungsvisualisierung Kurzzeitmessungen: Komfortmesstechnik und Thermografie Kurzzeitmessung im Referenzbüro Süd-West Thermografie Thermografie der Decke im Konferenzraum über 24 Stunden Temperaturfeld während der Nachtlüftung im Büro SW Luftwechsel Versuchsdurchführung Randbedingungen...26 Lüftungssituation und Luftwechselmessung Freie Taglüftung Freie Nachtlüftung...30 Hybride Taglüftung Mechanische Taglüftung Fugenlüftung Hybride Nachtlüftung Messergebnisse Strömungsvisualisierung Auswertung Raumtemperaturen in den Büros Lufttemperatur in den Büros in Abhängigkeit von der Außentemperatur...38 Dauerlinie der Lufttemperatur in den Büros Sommerliches Temperaturverhalten...40 Fraunhofer ISE, Rev Seite 3

4 9 Nutzerverhalten Lüftung Energiebilanz Berechnung der einzelnen Wärmeströme Energiebilanz für das Büro SW für die wärmste Woche des Jahres Energiebilanz für das Büro NO für die wärmste Woche des Jahres Energiebilanz für die Sommerperiode Parametermodell Ausblick und offene Fragen...59 Fraunhofer ISE, Rev Seite 4

5 1 Kurzfassung Dieses Kapitel fasst die Ergebnisse aus der Analyse von Messdaten im Passiv-Bürohaus Lamparter des Ingenieur- und Vermessungsbüros Hans Lamparter GBR in Weilheim zusammen. Dabei liegt der Schwerpunkt auf dem (sommerlichen) Temperaturverhalten in den Büros. Dabei spielt das Lüftungskonzept mit passiver Kühlung über Erdwärmetauscher und Nachtlüftung eine zentrale Rolle. Die Analysemethode in Kurzform: Messdaten aus dem Langzeitmonitoring und Kurzzeitmessungen werden zunächst getrennt, dann über Standardgrafiken, Energiebilanz und Parametermodell ausgewertet. 1. Raumlufttemperatur / Außentemperatur: Bis zu einer Außentemperatur von rund 20 C liegt die mittlere Lufttemperatur im Büro SW bei 23,4 C und im Büro NO bei 23,1 C. Bei höheren Außentemperaturen steigt die Lufttemperatur im Büro SW um 0,22 K RT /K AT und im Büro NO um 0,29 K RT /K AT. 2. Dauerlinie der Raumlufttemperatur: Im Büro SW liegt die Lufttemperatur an 5,0 % und im Büro NO an 4,5 % der Arbeitszeit über 25 C. Ab einer Außentemperatur von 25,1 C in Büro NO bzw. 25,4 C in Büro SW liegt die Lufttemperatur im Büro unter der Außentemperatur. 3. Hybride Lüftung: Mechanische und freie Lüftung ergänzen sich gut. Die mechanische Lüftung liefert das ganze Jahr hindurch den notwendigen Luftwechsel von mindestens 1,3 h -1. In der Übergangszeit und im Sommer kann der Luftwechsel durch die Nutzer individuell erhöht werden, bis zu 8 h -1, wobei aber auch bei geschlossenen Fenstern eine ausreichende Belüftung bereitgestellt wird. 4. Lüftung als Kühlung: Während der Nutzungszeit wird durch die vorgekühlte Zuluft (Erdwärmetauscher) ungefähr die Wärmelast einer Person (100 W) abgeführt. Durch freie Fensterlüftung wird (außer an Tagen mit einer Außentemperatur von über 25 C) eine vergleichbare Kühlleistung erzielt. Außerhalb der Nutzungszeit und insb. durch Nachtlüftung wird über 80 % der Wärme abgeführt. Damit spielt die Nachtlüftung im sommerlichen Klimakonzept eine zentrale Rolle. 5. Solare und innere Wärmegewinne: Die solaren Wärmegewinne (0,13 kwh/d/m²) liegen im Büro SW trotz dessen SW-Orientierung nur geringfügig über den solaren Wärmegewinnen im Büro NO. Das ist mit der Nutzung des Sonnenschutzes und der zusätzlichen statischen Verschattung (Lichtschwert) im Büro SW zu erklären. Aufgrund der unterschiedlichen Nutzung sind die inneren Wärmelasten im Büro NO (0,27 kwh/d/m²) fast doppelt so hoch wie in Büro SW (0,14 kwh/d/m²). 6. Nutzerverhalten: Die vorhandenen Messdaten ermöglichen eine Auswertung des Nutzerverhaltens bzgl. der Fensterlüftung. Bei tiefen Außentemperaturen (unter -2 C) und bei extrem hohen Außentemperaturen (über 34 C) sind die Fenster immer geschlossen. Bei durchschnittlichen Temperaturen sind die Fenster zu 40 %, bei sommerlichen Temperaturen zu 75 % der Tageszeit (24 Stunden) geöffnet. 7. Energiebilanz: Die Messdaten aus den verschiedenen Messkampagnen (Monitoring, Luftwechselmessungen und Thermografie) können in einer Energiebilanz Fraunhofer ISE, Rev Seite 5

6 zusammengeführt werden. Während eines längeren Zeitraums (hier: Sommerperiode von Juni bis August) gleichen sich Wärmegewinne und verluste gerade aus. Dabei nimmt die Wärmespeicherung in den Bauteilen im Büro SW zu 15 % und im Büro NO zu 10 % am gesamten Wärmeumsatz teil. 8. Modellbasierte Messdatenauswertung: Durch ein Parametermodell können die Messdaten aus dem Langzeitmonitoring auf charakteristische Gebäudekennwerte zurückgeführt werden: Die Solarapertur Ψ ist 0,073 im Büro NO und 0,058 im Büro SW. Die Zeitkonstante τ liegt bei 30,0 Stunden im Büro NO und 26 Stunden im Büro SW. Die Wärmeabgabe wird über einen Verlustfaktor K beschrieben, vergleichbar einem U-Wert einschließlich der Lüftungswärmeverluste für den Winterfall. K liegt für das Büro NO bei 28 W/m²/K und für das Büro SW bei 13 W/m²/K, entsprechend der höheren Wärmelasten in Büro NO. 9. Optimierungsmöglichkeiten im Sommerbetrieb: Insgesamt wird die Gebäudetechnik im im Sommer entsprechend der Planungsgrundsätze betrieben: Die Nachtlüftung sollte so geregelt werden, dass die RWA-Klappen bei einer Außentemperatur über 18 C geöffnet werden, wenn (1) die Lufttemperatur im Raum 3 K über der Außentemperatur oder (2) der Austrittstemperatur aus dem Erdwärmetauscher oder (3) oder die Raumlufttemperatur über 20 C liegt. Wenn die Kühlleistung nur über den Erdwärmetauscher bereitgestellt werden kann (3 K- Kriterium), wird die Luft aus dem Erdwärmetauscher zugeführt, sonst strömt die Luft aufgrund des thermischen Auftriebs frei durch die Fenster und das Treppenhaus zur RWA-Klappe. Im Prinzip läuft die Regelung nach diesem Schema erfolgreich. Aufgrund eines Programmierfehlers wird während der Nachtlüftung aber immer Zuluft aus dem Erdwärmetauscher in die Büros geführt. Dieser Programmierfehler sollte behoben werden. (Dabei ist aber auch zu berücksichtigen, dass durch die verhältnismäßig geringe mechanische Unterstützung der Nachtlüftung ein Back Up-System für den Fall gegeben ist, dass ein Nutzer das Fenster für die Nachtlüftung nicht geöffnet hat.) An dieser Stelle möchten wir uns bei Herrn Peter Seeberger von der Fachhochschule für Technik in Stuttgart, Fachbereich Bauphysik für die sehr gute Kooperation im Projekt und die Bereitstellung hervorragend aufbereiteter Messdaten bedanken. Durch gute Diskussionen konnten Schwachstellen aufgedeckt und Verbesserungsvorschläge erarbeitet werden. Nicht zuletzt konnten wir die umfangreiche Messkampagne im Sommer 2002 in gemeinsam erfolgreich durchführen. Fraunhofer ISE, Rev Seite 6

7 2 Einleitung Im Förderkonzept SolarBau wird ein Gesamt-Primärenergiebedarf für Gebäudetechnik von 100 kwh/m²/a bezogen auf die NGF nach DIN 277 angestrebt. Dieser geringe Energieverbrauch wird durch Reduzierung der Wärmeverluste, Tageslichtnutzung und Verzicht auf die Klimatisierung von Büros erreicht. Dieser Abschlussbericht beschreibt die zentralen Analysen und Arbeitsschwerpunkte aus dem zwei-jährigen Monitoring: In Kapitel 3 wird die Aufgabenstellung und die Herangehensweise bei der Bewertung des Passiv-Bürohauses Lamparter vorgestellt. Hier wird auch das Gebäude- und insb. Lüftungskonzept erläutert, soweit für das Verständnis erforderlich. Neben den Messdaten aus dem Langzeitmonitoring werden Daten aus Kurzzeitmessungen (Komfortmesstechnik, Thermografie und Luftwechselmessungen) verwendet. Messtechnik und Datenhaltung bzw. Datenaufbereitung werden in Kapitel 3.4 beschrieben. Kapitel 5 zeigt die Ergebnisse der Messkampagne im Sommer 2002 im Büro SW. Damit können die Messwerte aus dem Langzeitmonitoring mit Kurzzeitmessungen verglichen werden. Kapitel 6 präsentiert die Ergebnisse der Thermografieaufnahmen. Ausführliche Luftwechselmessungen unter verschiedenen Randbedingungen geben ein geschlossenes Bild über den interzonalen Luftwechsel im, Kapitel 7. Kapitel 8 zeigt verschiedene Standardauswertungen für die Raumtemperatur. Damit soll gleichzeitig eine Vergleichbarkeit mit anderen Messkampagnen bzw. Monitoring- Projekten hergestellt werden. In hybriden Lüftungskonzepten spielt das Nutzerverhalten eine zentrale Rolle. In Kapitel 9 wird eine Auswertung zum Nutzerverhalten Lüftung vorgestellt. Über eine Energiebilanz für den Raum werden Kurz- und Langzeitmessungen zusammengeführt. Die Raumlufttemperaturen können zwar standardisiert ausgewertet und damit zwischen einzelnen Gebäuden verglichen werden, ein Verständnis zu den Wärmeströmen und der Einflussgrößen auf die Temperaturen liefert aber nur eine komplette Energiebilanz, Kapitel 10. Die Auswertung der Raumlufttemperatur und die Energiebilanz können durch ein Parametermodell für die Sommerperiode in einander überführt werden, Kapitel 11. Damit steht eine einheitliche Methode zur Beschreibung des thermischen Gebäudeverhaltens zur Verfügung. Kapitel 12 stellt schließlich einige offene Fragen zusammen und bietet einen Ausblick auf mögliche Aufgabenstellungen, die im Zusammenhang mit der Bewertung des sommerlichen Temperaturverhaltens zukünftig bearbeitet werden können. Fraunhofer ISE, Rev Seite 7

8 3 Aufgaben, Methodik und Gebäudekonzept Die Analyse der Messdaten aus dem zwei-jährigen Monitoring ist Basis für die Zustandsanalyse des Gebäudes. Damit wird der Grundsatz geplant gebaut geprüft verfolgt. Die Aufgaben sowie Herangehensweise und Auswertetechniken werden in diesem Kapitel vorgestellt. Die Anwendung der Auswertemethode wird mit dem Gebäudekonzept in Gesamtzusammenhang gestellt. 3.1 Aufgaben und Ziele 3.2 Methode Das Fraunhofer ISE führt in Erweiterung der bereits abgeschlossenen Simulationsstudien in der Konzeptionsphase des Projektes neue dynamische Gebäudesimulationen zum Vergleich von Messung und rechnerischen Erwartungswerten durch. Im Rahmen der Arbeiten wurde der Bereich dynamische Gebäudesimulation zu Gunsten weiterer Messkampagnen im Passiv-Bürohaus und der Entwicklung einer Auswertungsmethode reduziert. Der Vergleich von Messung und rechnerischen Erwartungswerten ist damit besser zu ziehen. In Ergänzung zu diesen Aufgaben wird das Nutzerverhalten analysiert. Der Vergleich erfolgt in erster Linie für das sommerliche Klimakonzept mit Erdwärmetauscher und Nachtlüftung. Während für den Winterfall der Heizenergieverbrauch eine konkrete Zielgröße für die Bewertung des Gebäudekonzeptes ist ( Passivhaus-Standard ), wurde eine vergleichbare Zielgröße für den Sommerfall im Planungsprozess nicht festgelegt. Vielmehr wird eine konsequente Verbindung von Architektur, Energie, Komfort und Kosten gefordert. Als Bewertungsmaßstab wird daher die Überschreitungshäufigkeit der Raumlufttemperatur über 25 C eingeführt. Für das realisierte Gebäude mit seiner Nutzung und dem Wetter als dominierende Einflussgrößen soll also die Frage beantwortet werden, ob der sommerliche Komfort bei fehlender aktiver Kühlung gewährleistet wird oder nicht. Und wie die Raumlufttemperatur durch das Gebäude selbst (Architektur, Baukonstruktion und Gebäudetechnik), durch das Wetter und durch die Nutzer beeinflusst wird. Messdaten alleine geben grundsätzlich noch keine Auskunft über das thermische Gebäudeverhalten. Erst die Auswertung von Messdaten unter einem bestimmten Aspekt lässt Rückschlüsse auf die thermodynamischen Zusammenhänge zu. Damit kann das Gebäude schließlich auch im Vergleich mit anderen Gebäuden bewertet werden. Grundsätzlich werden hier drei Auswertemethoden genutzt. 1. Quantitative Messdatenauswertung: Viele Messdaten können quantitativ ausgewertet werden. Dazu gehört z.b. die Berechnung von Tagessummen von Energieverbräuchen oder Tagesmittelwerte von Temperaturen. Für einzelne Größen ist in Ergänzung eine statistische Auswertung sinnvoll, z.b. Häufigkeit einer Temperatur in einem bestimmten Temperaturbereich. 2. Grafische Darstellung: Zeitliche Verläufe geben zwar einen Eindruck vom Gebäudeverhalten, aussagekräftiger sind aber häufig Grafiken, die verschiedene Größen zueinander in Beziehung setzen (z.b. Raumlufttemperatur in Abhängigkeit von in- Fraunhofer ISE, Rev Seite 8

9 ternen Lasten). Darüber hinaus können auch zusätzliche Abhängigkeiten dargestellt werden (z.b. Lufttemperatur im Gebäude in Abhängigkeit von der Außentemperatur für verschiedene Klassen der Solarstrahlung). Grundsätzlich sollten die grafischen Darstellungen auch durch funktionale Zusammenhänge beschrieben werden, um die Abhängigkeiten tatsächlich quantifizieren zu können. 3. Modellbasierte Messdatenauswertung: Einzelne Größen können nicht im Langzeitmonitoring gemessen werden. Dazu gehört hier in erster Linie der freie Luftwechsel in den Büros durch Fensterlüftung. Mit Kurzzeitmessungen (hier: Luftwechselmessungen) können fehlende Messwerte bestimmt werden. Über eine modellbasierte Auswertung können dann Kurz- und Langzeitmessungen zusammengeführt werden. Andere Größen können messtechnisch nicht erfasst werden. Dazu gehört hier z.b. die Speicherkapazität der Decke. Diese Größen können nur über eine Rechenmodell und evtl. über eine Parameteridentifikation bestimmt werden. Mit Hilfe der Energiebilanz können einerseits Kurz- und Langzeitmessungen zusammengeführt und andererseits nicht messbare Energieströme bestimmt werden. Die drei Auswertemethoden werden in Kapitel 10 und 11 zusammengeführt. Damit können schließlich die Einflussgrößen auf das sommerliche Temperaturverhalten beschrieben werden. 3.3 Gebäude- und Lüftungskonzept Das Gebäude- und Lüftungskonzept wird in dem SolarBau:Portrait Nr. 9 Passiv- Bürohaus Lamparter vorgestellt. In diesem Bericht werden nur die Aspekte hervorgehoben, die zum Verständnis des sommerlichen Temperaturverhaltens und zur Beschreibung der Nachtlüftung gebraucht werden. Abb. 3-1 zeigt die Lage des Bürogebäudes in der Ortschaft und näherungsweise die Außenmaße des Gebäudes. Damit und unter Berücksichtigung der Außenform des Baukörpers (s.a. Abb. 3-4 und Abb. 3-3) kann der Winddruck auf die Außenwand berechnet werden (hier: thermische Gebäudesimulation, Luftwechsel in Abhängigkeit von Windrichtung und -geschwindigkeit). Fraunhofer ISE, Rev Seite 9

10 Abb. 3-1: Lage des Bürogebäudes in Weilheim. (Die beiden westlich eingezeichneten Bauplätze sind noch unbebaut.) Abb. 3-2 skizziert das realisierte Lüftungskonzept und die typische Betriebsweise der natürlichen und mechanischen Lüftung, für den Sommerfall auch die Nachtlüftung. Die Fenster und Oberlichter / Fensterklappen sind manuell öffenbar. Die Bürotüren stehen meist offen. Die Lüftungsanlage ist aufgrund eines Programmierfehlers auch während der Nachtlüftung in Betrieb. mechanische Abluft Abluft der freien Nachtlüftung über Dach Luftwechsel: 30 m³/h*pers. Zuluft Nachtlüftung 2,95 m FLUR KOMBIZONE BÜRO Sommerfall Heizregister Wärmerückgewinnung Erdregister Fortluft Zuluft Sommerfall 5,8 m 4,2 m Abb. 3-2: Lüftungskonzept und Betriebsweise für den Sommer- und Winterfall. Fraunhofer ISE, Rev Seite 10

11 3.4 Büroräume Nord/Ost und Süd/West Abb. 3-3 zeigt den Schnitt für das Bürogebäude. Das großzügig gestaltete Treppe n- haus verbindet die Lufträume vom Erd- über das Ober- zum Dachgeschoss. Der Auftriebseffekt treibt die natürliche Nachtlüftung thermisch in Ergänzung zur Wind induzierten Strömung an: Die gegenüber der Umgebung wärmere Luft im Gebäude steigt im Treppenhaus auf und verlässt an der höchsten Stelle des Gebäudes durch die RWA-Klappen das Gebäude. Kühle Nachtluft strömt in die Büros nach. Dadurch werden die Bauteile entwärmt. SW NO Abb. 3-3: Schnitt mit den beiden Referenzräumen SW (Orientierung nach Süd-West) und NO (Orientierung nach Nord-Ost). Durch die blau gekennzeichneten Pfeile wir die thermisch angetriebene, freie Nachtlüftung für diese beiden Räume angedeutet. Fraunhofer ISE, Rev Seite 11

12 Abb. 3-4 zeigt den Grundriss (hier: Erdgeschoss) des Bürogebäudes. Die Referenzräume liegen im Obergeschoss auf der Süd-West- und der Nord-Ost-Seite. Die Luft strömt nachts von den Büros durch die Kombizone ins Treppenhaus. NO SW Abb. 3-4: Grundriss mit den beiden Referenzräumen SW (Orientierung nach Süd-West) und NO (Orientierung nach Nord-Ost). Durch die blau gekennzeichneten Pfeile wir die thermisch angetriebene, freie Nachtlüftung für diese beiden Räume angedeutet. Fraunhofer ISE, Rev Seite 12

13 4 Messtechnik und Datenaufbereitung Im Langzeitmonitoring werden in folgenden Bereichen Messdaten erfasst: Wetterdaten. Gebäudetechnik (Lüftung und Heizung). Erdwärmetauscher (Erd- und Lufttemperaturen). Messtechnik in Referenzräumen (s.a. Kapitel 4.1). Die Messtechnik, Datenerfassung und Datenaufbereitung wird detailliert im Abschlussbericht der Fachhochschule für Technik, Fachbereich Bauphysik, Stuttgart vorgestellt. Für die Bewertung des sommerlichen Temperaturverhaltens wird eine Auswahl der Messdaten verwendet und durch verschiedene Kurzzeitmessungen ergänzt. 4.1 Messwerte aus der zentralen Messdatenerfassung Neben den Wetterdaten werden im Folgenden in erster Linie Messdaten aus der Messwerterfassung für die beiden Referenzbüros (siehe auch Anhang Datenliste ) verwendet: Lufttemperatur. Zulufttemperatur und volumenstrom (gemessen: Zuluftgeschwindigkeit). Elektrische Leistung: Beleuchtung und Steckdosen. Fensterkontakte. Anwesenheitssensoren. Neben diesen Daten stehen zwar weitere Messwerte aus den Büroräumen zur Verfügung (u.a. Luftfeuchte, CO 2 -Gehalt, Beleuchtungsstärke), diese werden aber zur Bewertung des sommerlichen Temperaturverhaltens nicht herangezogen. Die Messdaten stehen für Juni und Juli 2002 als 15 Minuten-Werte zur Verfügung, um die Detailmessungen (in Kapitel 5, 6 und 7). Für den Zeitraum August 2001 bis Juli 2002 werden diese Messdaten als 60 Minuten-Werte zur Jahresauswertung (Kapitel 8) und zur Bewertung des sommerlichen Temperaturverhaltens (Kapitel 10 und 11) verwendet. 4.2 Luftwechselmessungen und Strömungsvisualisierung Um den Luftwechsel in den Büroräumen quantifizieren zu können, wurden zwischen dem 11. Juli 2002 und dem 13. Juli 2002 Luftwechselmessungen in den beiden Referenzbüros durchgeführt. Der Luftwechsel wird mit Hilfe eines Spurengases (hier: SF6) gemessen. Als Messmethode wird die Konzentrationsabfallmethode gewählt: Bei gegebenem Luftwechsel nimmt die Spurengaskonzentration mit der Zeit exponentiell ab, u.z. bei höherem Luftwechsel schneller als bei einem niedrigen Luftwechsel. So kann aus dem Konzentrationsabfall der Luftwechsel bestimmt werden. Fraunhofer ISE, Rev Seite 13

14 Da der Konzentrationsabfall nur für einen ideal durchmischten Raum ausgewertet werden kann, wird zwischen den Probenahmen die Luft im Raum gut durchmischt. Zeitgleich wurde an einzelnen Stellen die Strömungsrichtung visualisiert. Dazu wurden Rauchgasröhrchen verwendet. Mit einem kleinen Balg kann gezielt Rauchgas bei Raumtemperatur und mit der Dichte von Luft der Strömung zugeführt werden. 4.3 Kurzzeitmessungen: Komfortmesstechnik und Thermografie In Ergänzung zu den Langzeitessungen (Monitoring) wurden Kurzzeitmessungen im SW-Büro mit dem Ziel durchgeführt, Detailinformationen zu den Temperaturmessungen im Monitoring zu erhalten. Abb. 4-1 skizziert den Aufbau der Messtechnik im Büro. Zum Einsatz kommt eine sogenannte Komfortmesstechnik mit einer zeitlichen Auflösung von 5 Minuten: In 1,1 m Höhe wird die Lufttemperatur, die Strahlungstemperatur in zwei Halbräumen, die Luftgeschwindigkeit (Mittelwert und Schwankung) sowie die Luftfeuchtigkeit (hier nicht verwendet) gemessen. Zusätzlich kann eine Oberflächentemperatur erfasst werden. V B Schnitt A-A (Luft-, Obf.temp., L geschw.) A A AW IW B Position der Sensoren im Raum Schnitt B-B (Strahlungstemperatur) Abb. 4-1: Aufbau der Kurzzeitmessungen im Büro SW. Lufttemperatur und Luftgeschwindigkeit werden in 1,1 m Höhe am Arbeitsplatz, die Oberflächentemperatur wird auf der Tischplatte gemessen. Die Strahlungstemperatur wird am Arbeitsplatz so bestimmt, dass jeweils die Oberflächentemperatur der Umgebungsflächen im Halbraum zur Außenwand und zur Innenwand gemessen wird. Da im Bürohaus Lamparter weder Bauteil- noch Oberflächentemperaturen gemessen werden, wurde zu mehreren Zeitpunkten die Oberflächentemperatur mit einer IR-Kamera gemessen. In einem Experiment wurde die zeitliche Entwicklung eines (örtlichen) Temperaturfeldes über eine Nacht beobachtet. In einem anderen Experiment wurde die Entwicklung der Oberflächentemperatur an einer Stelle über einen Tag (24 Stun- Fraunhofer ISE, Rev Seite 14

15 den) aufgenommen. Während der Auswertung der Thermografien müssen die Temperaturen der anderen Raumumschließungsflächen berücksichtigt werden, da die langwellige Strahlung dieser Flächen sonst die Messung verfälscht. Fraunhofer ISE, Rev Seite 15

16 5 Kurzzeitmessung im Referenzbüro Süd-West Zwischen Donnerstag, 11. Juli 2002 und Samstag, 13. Juli 2002 wurden im Bürohaus detaillierte Messungen zusätzlich zum Langzeitmonitoring durchgeführt, s.a. Kapitel 4.3. Abb. 5-1 zeigt den Verlauf der Lufttemperaturen in den beiden Referenzbüros und in der Kombizone (Obergeschoss) sowie die Außentemperatur, Messdaten aus der Langzeitmessung. In der Nacht 11./12. Juli 2002 wurde die freie Nachtlüftung messtechnisch bewertet. In dieser Nacht verhalten sich die Temperaturen in den beiden Referenzräumen und in der Kombizone fast gleich. Am Tag davor und danach wird der solare Wärmegewinn deutlich: Das Referenzbüro Süd-West wird um bis zu 2 K wärmer als das Referenzbüro Nord-Ost. Hinweis: Das vorgestellte Temperaturverhalten gilt für diese Tage. Über die Sommerperiode ist das Büro NO zwar ebenfalls geringfügig kühler als das Büro SW, zeigt aber eine größere Temperaturschwankung im Laufe eines Tages, s.a. Kapitel Lufttemperatur [ C] TL-aussen TL-Buero(SW) TL-OG TL-Buero(NO) Abb. 5-1: Raumlufttemperatur in den beiden Referenzbüros und der Kombizone sowie Außentemperatur von Donnerstag, 11. Juli 2002 bis Samstag, 13. Juli Abb. 5-2 zeigt die Lufttemperatur am Arbeitplatz, die Oberflächentemperatur an der Tischplatte und die Strahlungstemperatur in zwei Halbräumen: 1. Die Temperatur an der Tischplatte ist tagsüber (fast) identisch mit der Lufttemperatur (Wärmeabgabe an die Luft und Strahlungsgewinn im Gleichgewicht). Nachts ist die Tischplatte aufgrund der thermischen Speicherkapazität wärmer als die kühle (Nacht-)Luft, die über die Oberfläche strömt. Die Energiebilanz an der Oberfläche wird nachts offensichtlich vom konvektiven Wärmeübergang an die Luft dominiert. Das kann so erklärt werden: Die Temperaturdifferenz zur thermisch verhältnismäßig leichten Tischplatte beträgt während Fraunhofer ISE, Rev Seite 16

17 der Nacht über 1 K, weil die Luft die Wärme an der Tischplatte nur unvollständig abführt (endlicher Wärmeübergangskoeffizient). 2. Fast das gleiche dynamische Verhalten wie die Tischplatte zeigt die Innenwand (Strahlungstemperatur im Halbraum). 3. Tagsüber steigt die Strahlungstemperatur im Halbraum zur Außenwand deutlich über die Lufttemperatur. Das ist mit der positiven Strahlungsbilanz insb. am Fenster (Rahmen und Glas) und damit verbunden mit den höheren Oberflächentemperaturen zu erklären T-Luft T-Obf T-Str(IW) T-Str(AW) Temperatur [ C] Abb. 5-2: Vergleich von Luft-, Oberflächen- und Strahlungstemperatur (Halbraum Innenwand und Halbraum Außenwand). Die Luftgeschwindigkeiten im Raum in Nähe des Arbeitsplatzes liegen während der Messkampagne (fast) immer unter 0,2 m/s bei einer sehr geringen Turbulenz, Abb Eine Abhängigkeit der Luftgeschwindigkeit am Arbeitsplatz von freier oder mechanischer Lüftung ist messtechnisch nicht zu identifizieren: Die Lüftungsanlage ist nur in der ersten Nacht und am zweiten Abend außer Betrieb (s.a. Abb. 7-5), gleichzeitig ist die mittlere Luftgeschwindigkeit in der gleichen Größenordnung wie in der übrigen Zeit. Die Luftbewegung im Raum bzw. am Arbeitsplatz ist offensichtlich (nahezu) unabhängig vom Betrieb der Lüftungsanlage. Fraunhofer ISE, Rev Seite 17

18 0,3 0,25 Mittelwert Abweichung Luftgeschwindigkeit [m/s] 0,2 0,15 0,1 0, Abb. 5-3: Luftgeschwindigkeit im Raum. Die Abweichung vom Mittelwert ist ein Maß für die Turbulenz der Strömung. Im Vergleich von Langzeitmonitoring TL-Buero(SW) und Kurzzeitmessung T-Luft zeigt sich eine gute Übereinstimmung der Messwerte, Abb Die am Arbeitsplatz (1,1 m Höhe) gemessene Lufttemperatur ist dabei im Mittelwert 0,4 K niedriger als die in Deckennähe gemessene Lufttemperatur im Langzeitmonitoring T-Luft TL-Buero(SW) Lufttemperatur [ C] Abb. 5-4: Vergleich von Kurzzeitmessung (T-Luft) und Langzeitmessung (Monitoring: (TL-Buero(SW)). Mit Hilfe dieser Vergleichsmessung können die im Monitoring erfassten Temperaturen näherungsweise auf die Lufttemperatur am Arbeitsplatz umgerechnet werden, Tab Diese Umrechnung wird jedoch in diesem Bericht nicht vorgenommen. Fraunhofer ISE, Rev Seite 18

19 Tab. 5-1: Vergleich von Kurz - und Langzeitmessung. Kurzzeitmessung Langzeitmessung tiefste Lufttemperatur 19,37 C 20,20 C Mittelwert 22,33 C 22,76 C höchste Lufttemperatur 25,70 C 25,90 C Kurz- und Langzeitmessungen unterscheiden sich im Mittelwert um rund 0,4 K. Diese Differenz wird in der Temperaturstatistik berücksichtigt, Kapitel 8.2. Der Vergleich weist auf einen weiteren Aspekt hin, der wegen fehlender weiterer Messwerte leider quantitativ nicht ausgewertet werden kann: Während die Maximaltemperatur am Arbeitsplatz nur 0,2 K unter der Raumlufttemperatur aus der Langzeitmessung liegt, ist die Differenz bei der Minimaltemperatur 0,8 K. Nachts bildet sich also ein größerer Temperaturgradient von unten nach oben aus als tagsüber. Das kann auf eine nicht ideale Durchmischung der Raumluft während der Nachtlüftung zurückzuführen sein. Weitere Untersuchungen (i.e. Temperaturprofil messen, Strömungsvisualisierung und CFD-Simulation) wären notwendig diese Folgerung zu bestätigen bzw. zu widerlegen. Fraunhofer ISE, Rev Seite 19

20 6 Thermografie Zwischen Donnerstag, 11. Juli 2002 und Samstag, 13. Juli 2002 wurden im Referenzbüro und im Konferenzraum Thermografien mit einer IR-Kamera aufgenommen, s.a. Kapitel 4.3: Im Konferenzraum wird die Deckentemperatur stündlich an einer Stelle über 24 Stunden gemessen. Damit steht ein typischer Tagesgang für Raumluft- und Oberflächentemperatur zur Verfügung. Für die Nachtlüftung wird das Temperaturfeld für die Oberflächentemperatur an der Decke an drei Stellen aufgenommen. Diese Messung wird dreimal durchgeführt, damit kann auch die zeitliche Entwicklung des Temperaturfeldes beschrieben werden. 6.1 Thermografie der Decke im Konferenzraum über 24 Stunden Der Konferenzraum ist nach Nord-Osten orientiert. Die solaren Gewinne sind daher verhältnismäßig gering. (Am Morgen steigt die Lufttemperatur infolge der solaren Einstrahlung.) Die Wärmelast wird durch einen Heizlüfter (elektrische Leistung: 2 kw elt,nenn ) in den nicht genutzten Raum über einen Zeitraum von 8 Stunden (vergleichbar mit Nutzungszeit des Raumes) von 11:00 Uhr bis 19:00 Uhr eingebracht. Die Lufttemperatur wird mit einem mobilen Messgerät (Firma TESTO) erfasst. Zur Auswertung werden Luft- und Oberflächentemperatur durch eine Ausgleichfunktion dargestellt: T Luft = T Luft + T Luft t tv, Luft sin 2π Gl h T Obf = T Obf + T Obf t tv, Obf sin 2π Gl h Hinweis: Die Darstellung in Form einer einfachen harmonischen Schwingung hat sich in vorangegangenen Auswertungen bereits bewährt, s.a. [S. Herkel, J. Pfafferott, M. Wambsganß: Design, Monitoring and Evaluation of a Low Energy Office Building with Passive Cooling by Night Ventilation. Proc. EPIC-2002-AIVC, Lyon, 2002]. Durch den Verzicht auf höhere Terme der Fourier-Reihe können Mittelwert, Amplitude und Phasenverschiebung verglichen werden. Fraunhofer ISE, Rev Seite 20

21 28 26 T-Obf (Decke) T-Luft Analyse : Obf Analyse : Luft Temperatur [C ] Heizlüfter AN Nachtlüftung AN Uhrzeit [12. bis 13. Juli 2002] Abb. 6-1: Auswertung der Thermografie im Konferenzraum am 12. und 13. Juli 2002 (24 Stunden). T-Luft bezeichnet die Lufttemperatur in 1,1 m Höhe in Raummitte. T-Obf bezeichnet eine separate Temperaturmessstelle an der Decke in Raummitte, vgl. Kapitel 6.1. Tab. 6-1 stellt die Parameter der Ausgleichskurve vor. Der Wärmeeintrag durch den Heizlüfter bewirkt zunächst eine Erwärmung der Luft und dann der Decke: Da der Konferenzraum am Tag vor dem Experiment nicht genutzt wurde, hat die Decke keine Vorgeschichte : Die Decke und die Luft befinden sich also nicht im thermisch eingeschwungenen Zustand. Daher ist die mittlere Oberflächentemperatur der Decke niedriger als die der mittlere Lufttemperatur (hier: 0,6 K). Die Temperaturamplitude der Luft wird durch die thermische Trägheit der Decke gedämpft. Die Wirkung der thermisch schweren Decke auf die Luft kann durch das Amplitudenverhältnis (hier: 30 %) zwischen Oberflächentemperatur (hier: 0,9 K) und Lufttemperatur (hier: 2,9 K) beschrieben werden: Die Decke reagiert langsamer als die Luft auf Änderung der Wärmeströme. Durch die thermische Kopplung (Wärmeübergang) dämpft die Decke also auch die Temperaturamplitude der Luft, s.a. Parametermodell in Kapitel 11. Aufgrund der thermischen Trägheit sind die Temperaturverläufe phasenverschoben. Da Luft und Decke nicht im thermisch eingeschwungenen Zustand sind, kann die Phasenverschiebung (hier: 4 Stunden bzw. 1/6 der Grundschwingung) nicht weiterführend bewertet werden. Tab. 6-1: Parameter der Ausgleichskurve für Luft- und Oberflächentemperatur. T Mittelwert [ C] T Amplitude [K] T v [h] Lufttemperatur 23,65 2,9 0,9 Oberflächentemperatur 23,03 0,9 5,0 Hinweis: Kein eingeschwungener Zustand! Im eingeschwungenen Zustand sind die Mitteltemperaturen gleich und die Phasenverschiebung kleiner. Fraunhofer ISE, Rev Seite 21

22 6.2 Temperaturfeld während der Nachtlüftung im Büro SW Die Abb. 6-3 bis Abb. 6-5 zeigen die Entwicklung des Temperaturfeldes in der Nacht 11/12. Juli Eine Auswertung dieser Bilder liefert Abb Die Decke kühlt örtlich vom Fenster zur Tür hin gleichmäßig ab, u.z. im Laufe von 5 Stunden um 1,25 K in der Nähe des Fensters, um 0,9 K in der Mitte des Raumes und um 0,6 K in der Nähe der Tür. Der (zeitliche) Temperaturabfall ist dabei in Nähe des Fensters mit 0,625 K/h doppelt so schnell wie an der Tür. Das dynamische Verhalten der Decke kann mit dem dynamischen Verhalten der Lufttemperaturen erklärt werden: Die Außentemperatur fällt im gleichen Zeitraum um 6,3 K, die Lufttemperatur im Büro um 1,9 K und die Lufttemperatur im Flur um 1 K. Da Luft- und Bauteil- bzw. Oberflächentemperatur miteinander thermisch gekoppelt ist, kann an dieser Stelle keine weitere Auswertung erfolgen. Die Messwerte können jedoch modellbasiert ausgewertet werden, s.a. Parametermodell in Kapitel Temperatur [ C] TObf-Fenster TObf-Mitte TObf-Tür TL-aussen TL-Büro TL-Flur 15 20:00 22:30 01:00 Abb. 6-2: Auswertung der Thermografie im Referenzbüro SW in der Nacht 11./12. Juli Fraunhofer ISE, Rev Seite 22

23 Fenster Mitte Tür Abb. 6-3: Thermografie um 20:00 Uhr am 11. Juli 2002 Fraunhofer ISE, Rev Seite 23

24 Fenster Mitte Tür Abb. 6-4: Thermografie um 22:30 Uhr am 11. Juli Fraunhofer ISE, Rev Seite 24

25 Fenster Mitte Tür Abb. 6-5: Thermografie um 01:00 Uhr am 12. Juli Fraunhofer ISE, Rev Seite 25

26 7 Luftwechsel Zu mehreren Zeitpunkten wurde der Luftwechsel in den Büros mit Hilfe von Tracergas gemessen, s.a. Kapitel 4.2. Ziel der Messungen ist es, den Luftwechsel in unterschiedlichen Betriebszuständen im Gebäude zu bestimmen. Da die Messungen unter den sich ändernden Randbedingungen grundsätzlich nicht reproduzierbar sind, müssen sie im Quervergleich auf ihre Plausibilität überprüft werden. Aus der Kombination der verschiedenen Luftwechselmessungen kann zusätzlich zu der Bestimmung des Luftwechsels in einem Raum auch der interzonale Luftwechsel bestimmt werden. 7.1 Versuchsdurchführung Das Messprinzip wird in Kapitel 4.2 vorgestellt. Das Spurengas SF6 wird mit einer Anfangskonzentration von ungefähr 30 ppb in die beiden Referenzbüros eingebracht. Die Probenentnahme und -auswertung erfolgt automatisch: Der Gaschromatograph zieht in einem Abstand von mehreren Minuten jeweils eine Probe aus jedem Büro. (Für die Messung Freie Nachtlüftung wird in den Räumen jeweils in der Raummitte und an der Tür eine Probe entnommen. Damit kann evtl. auf das Verhältnis zwischen Durchströmung und einseitiger Lüftung geschlossen werden.) Das Raumvolumen beträgt B T H = 4,72m 4,22m 3,00m = 59,75m³. Damit kann der Luftwechsel in einen Luftvolumenstrom umgerechnet werden. Wichtiger Hinweis: Die Luftwechselmessungen zeigen eine momentane Aufnahme der Lüftungssituation. Unter geänderten Randbedingungen kann sich der Luftwechsel entsprechend anders einstellen. Die Auswertung für den Luftwechsel in der gesamten Sommerperiode (Juni August) nach der Energiebilanzierung in Kapitel 10 sollte also mit den Messungen, die in diesem Kapitel vorgestellt werden, verglichen werden. 7.2 Randbedingungen In Abb. 7-1 (Wind), Abb. 7-2 (Außentemperatur und Sonnenstrahlung), Abb. 7-3 (Lufttemperatur in den Büros), Abb. 7-4 (Temperaturschichtung im Gebäude) und Abb. 7-5 (Lüftungsanlage) werden die wichtigsten Randbedingungen für den Luftwechsel jeweils für den Zeitraum :00 Uhr bis :00 Uhr vorgestellt. Die sechs einzelnen Messkampagnen werden mit orangefarbenen Rahmen gekennzeichnet. Die Tage liegen in einer hochsommerlichen Periode mit geringer Windgeschwindigkeit, Außentemperaturen über 25 C und einer hohen solaren Einstrahlung von über 800 W/m² (horizontal), Abb. 7-1 und Abb Fraunhofer ISE, Rev Seite 26

27 4,0 3,5 Windgeschw Wr0N270W Windgeschwindigkeit [m/s] 3,0 2,5 2,0 1,5 1, Windrichtung [ ] 0,5 60 0, : : : : : : :00 Abb. 7-1: Windgeschwindigkeit und Windrichtung. (Die orange farbenen Rahmen kennzeichnen den Zeitbereich für die einzelnen Luftwechselmessungen.) TL-aussen G-solar,h Temperatur [ C] Solarstrahlung [W/m²] : : : : : : :00 Abb. 7-2: Außentemperatur und Sonnenstrahlung (global-horizontal). (Die orange farbenen Rahmen kennzeichnen den Zeitbereich für die einzelnen Luftwechselmessungen.) Die Lufttemperaturen in den Büros liegen meist über der Außentemperatur. Nur in den Nachmittagsstunden liegt die Außentemperatur höher, Abb Zwischen Erdund Obergeschoss stellt sich eine stabile Temperaturdifferenz von 1 bis 2 K ein, Abb Auch zum Dachgeschoss zeigt sich zwar eine deutliche Temperaturschichtung, in der Nacht ( zwischen 0:00 Uhr und 6:00 Uhr) ist die Luft aber gut durchmischt. Fraunhofer ISE, Rev Seite 27

28 Hinweis: Die Beschreibung der Temperaturschichtung im Gebäude ist nicht Teil dieses Berichtes. Die Temperaturschichtung wird lediglich zur Erklärung der thermisch angetriebenen Nachtlüftung herangezogen TL-aussen TL-Buero NO TL-Buero SW NO - AT SW - AT Temperatur [ C] Temperaturdifferenz [K] : : : : : : : : : :00 Abb. 7-3: Lufttemperatur im Büro und Temperaturdifferenz innen/außen. (Die orange farbenen Rahmen kennzeichnen den Zeitbereich für die einzelnen Luftwechselmessungen.) TL_EG TL_OG TL_DG 24 Lufttemperatur [ C] : : : : : : :00 Abb. 7-4: Temperaturschichtung im Gebäude. (Die orange farbenen Rahmen kennzeichnen den Zeitbereich für die einzelnen Luftwechselmessungen.) Die Lüftungsanlage wird während der Nutzungszeit planmäßig und während der Nachtlüftung (Programmierfehler) betrieben. Während der Messkampagnen wurde die Lüftungsanlage zeitweise manuell bedient, um die Lüftungssituation am Tag und Fraunhofer ISE, Rev Seite 28

29 in der Nacht in Abhängigkeit vom Betrieb der Lüftungsanlage vergleichen zu können. Abb. 7-5 zeigt Zulufttemperatur und volumenstrom für die Referenzbüros. Hinweis: Der Luftvolumenstrom wird aus der gemessenen Luftgeschwindigkeit [m/s] mit dem freien Querschnitt (DN 100) gemäß V & = c A berechnet, wobei folgende Annahme für das turbulente Strömungsprofil getroffen wird: c = cgemessen = c 25. max 1, TL-zu NO VL-zu NO TL-zu SW VL-zu SW Zulufttemperatur [ C] Zuluftvolumenstrom [m³/h] : : : : : : : : : :00 Abb. 7-5: Betrieb der Lüftungsanlage. (Büro NO ist blau und Büro SW rot gedruckt. Die orange farbenen Rahmen kennzeichnen den Zeitbereich für die einzelnen Luftwechselmessungen.) 7.3 Lüftungssituation und Luftwechselmessung Die Luftwechselmessungen werden für mehrere typische Betriebszustände durchgeführt, die im Folgenden beschrieben werden. Die Skizzen sind einheitlich. Darin wird 1. die Stellung der Fensterklappen (Büros) und der RWA-Klappen (Dachgeschoss), 2. die Türstellung (offen / geschlossen) und 3. der Betrieb der Lüftungsanlage (blau: Zuluft und rot: Abluft) gezeigt. In Vorgriff auf die Auswertung in Tab. 7-2 (mit Messfehler) wird der Luftwechsel in den beiden Büros NO und SW zur besseren Übersicht in die Skizze eingetragen. Die Hauptströmungsrichtung für die freie Lüftung soweit vorhanden wird mit blauen Pfeilen angedeutet. Die Pfeilgröße symbolisiert die Größe des Volumenstromes. Die Messungen werden für unterschiedliche Klappenstellungen (Büro SW und Büro NO identisch) durchgeführt. Dabei wird jeweils zwischen vollständig geöffnet und vollständig geschlossen unterschieden. Tab. 7-1 stellt die freien Strömungsquerschnitte vor. Dabei wird für die RWA-Klappen und die Oberlichter ein Verlustbeiwert C D =0,6 (einseitige Strömung) und für die Tür von C D =0,15 (zweiseitige Strömung) angenommen. Fraunhofer ISE, Rev Seite 29

30 Tab. 7-1: Öffnungsfläche und freier Strömungsquerschnitt für die einzelnen Öffnungen. RWA-Klappe(n) Oberlicht Tür Öffnungsfläche [m²] 0,30 * 6 0,21 1,6 Freier Strömungsquerschnitt [m²] 1,08 0,13 0,24 spezif. [m²/m Fassadenlänge ] 0,041 0,027 entfällt Hinweis: Freier Strömungsquerschnitt (Tür, Oberlicht bzw. RWA-Klappe) im geschlossenen Zustand: 0 m² Freie Taglüftung Diese Messung findet außerhalb der Nutzungszeit unter typischen Verhältnissen am Tag statt, allerdings ist die Lüftungsanlage außer Betrieb. Im Gebäude kann sich eine freie Lüftung durch die geöffneten Klappen und Türen einstellen. Die Büros sind 1 K (Büro NO) bzw. 2,5 K (Büro SW) wärmer als die Umgebung. Im offenen Treppenhaus beträgt die Temperaturdifferenz zwischen Ober- und Dachgeschoss 1 bis 2 K. Die Temperaturüberhöhung gegenüber der Umgebung liegt in Höhe der RWA-Klappen bei 2 bis 3 K. Dadurch stellt sich ein thermischer Auftrieb im Gebäude ein. Diese Luftströmung von den Büros in das Dachgeschoss und nach außen wird durch einen Wind induzierten Druck überlagert: Der Wind kommt schwach aus Ost. Daraus resultiert schließlich im Büro NO ein deutlich höherer Luftwechsel (Addition treibender Kräfte) als im Büro SW (Ausgleich treibender Kräfte). 2,98 h -1 4,68 h -1 Abb. 7-6: Freie Taglüftung: Messung am 11. Juli 2002 zwischen 18:30 Uhr und 19:30 Uhr Freie Nachtlüftung Die Nachtlüftungssituation unterscheidet sich nicht grundsätzlich von der Taglüftungssituation, allerdings haben sich die Randbedingungen geändert: Keine solaren Wärmegewinne im Büro, Temperaturdifferenz zwischen Büro und Umgebung ca. 6 K, (fast) keine Temperaturdifferenz zwischen Ober- und Dachgeschoss und Wind aus Süd-Ost. Bei ungefähr gleich bleibender Windgeschwindigkeit ist der Luftwechsel infolge der höheren treibenden Temperaturdifferenz insgesamt deutlich höher als am Tag. Infol- Fraunhofer ISE, Rev Seite 30

31 ge der Änderung der Windrichtung tritt keine Querströmung auf, weil der Wind auf die Stirnseite des Gebäudes auftritt (keine Druckdifferenz zwischen NO- und SW- Seite). These: Im Büro SW ist der Luftwechsel etwas höher als im Büro NO. Der höhere Luftwechsel im Büro SW kann bei nahezu gleicher Lufttemperatur in beiden Referenzbüros über die höhere Wärmeabgabe im Büro SW erklärt werden: An diesem Tag werden die Bauteile durch absorbierte Solarstrahlung stärker erwärmt als im Büro NO. Während der Nachtlüftung geben die Wände thermische Energie an die Raumluft ab und treiben damit den Luftwechsel an. Die Wärmeabgabe der Bauteile an die Luft führt in der (vereinfachten) Energiebilanz für die Nacht dq / dt = V & ρ c Bauteil T Luft also nicht zu einer höheren Raumlufttemperatur und damit zu einer höheren Temperaturdifferenz zwischen innen und außen T, sondern zu einem höheren Luftvolumenstrom V &. Wichtiger Hinweis: Auch für die gesamte Sommerperiode ergibt sich aus der Energiebilanz, s.a. Tab. 10-1, ein etwas höherer Luftwechsel im Büro SW. Dabei liegt die Lufttemperatur in Büro SW tatsächlich etwas höher als in Büro NO, s.a. Tab Außerdem sind die Fenster im Büro SW etwas häufiger geöffnet als Büro NO, s.a. Abb Gleichzeitig sind die Wärmelasten im Büro NO deutlich höher als im Büro SW, s.a. Abb und Abb Die formulierte These kann im Rahmen dieser Arbeit zwar mit der Energiebilanz (Kapitel 10), nicht aber mit der sich in den beiden Räumen einstellenden Lufttemperatur nach dem Parametermodell (Kapitel 11) in Übereinstimmung gebracht werden: Der Abgleich der beiden Auswertemethoden liefert für das Büro SW eine sehr gute, für das Büro NO eine mangelhafte Übereinstimmung. Luft 7,45 h -1 6,56 h -1 Abb. 7-7: Freie Nachtlüftung: Messung am 11. Juli 2002 zwischen 23:00 Uhr und 24:00 Uhr Hybride Taglüftung Die dritte Messkampagne unterscheidet sich deutlich von den beiden vorherigen Messkampagnen, durch den Betrieb der Lüftungsanlage. Alle Klappen und Türen sind geöffnet, außer die RWA-Klappen im Dachgeschoss. Damit soll der thermische Auf- Fraunhofer ISE, Rev Seite 31

32 trieb im Gebäude weitgehend verhindert werden, um die Wechselwirkung zwischen einseitiger Fensterlüftung, Querströmung und mechanischer Zu- und Abluft bewerten zu können. Die Lüftungsanlage ist hydraulisch abgeglichen und liefert ungefähr einen 1,2-fachen Luftwechsel in den Büros. Während der Messung (außerhalb der Arbeitszeit) kommt der Wind schwach aus Ost, die Außentemperatur liegt zwischen 25 und 26 C und die Lufttemperatur in den Referenzbüros liegt rund 2 K unter der Umgebungstemperatur. Die sich einstellenden Luftwechsel sind höher als bei der freien Lüftung. Dabei kommen mehrere Effekte zusammen: Über die Lüftungsanlage wird der Luftwechsel erhöht (Mischlüftung). Der Wind kommt aus der gleichen Richtung und ist etwas stärker als in den vorangegangenen Messkampagnen (Durchströmung). Es kann sich eine intensive Durchströmung einstellen (RWA-Klappe geschlossen), weil sich kein thermischer Auftrieb ausbildet. 3,56 h -1 7,02 h -1 Abb. 7-8: Hybride Taglüftung: Messung am 12. Juli 2002 zwischen 18:00 Uhr und 19:00 Uhr Mechanische Taglüftung Bei geschlossenen Fenstern und Türen wird der Luftwechsel (fast) ausschließlich von der Lüftungsanlage aufgeprägt. Diese Messung wurde durchgeführt, um einerseits die Werte aus dem Langzeitmonitoring validieren zu können (analog zu Kurzzeitmessung in Kapitel 5). Andererseits können Rückschlüsse auf die Abhängigkeit von der Lüftung gezogen werden: Wenn die Auswertung der Luftwechselmessung stark von der Betriebsmessung abweicht, muss überprüft werden, inwieweit die Lüftungsanlage tatsächlich bestimmend ist. Die gemessenen Werte zeigen in Büro NO eine sehr gute in Büro SW eine akzeptable Übereinstimmung mit der betrieblichen Messung: Betriebliche Messung in Büro SW: 80 m³/h, entsprechend 1,33 h-1. Betriebliche Messung in Büro NO: 90 m³/h, entsprechend 1,5 h-1. Fraunhofer ISE, Rev Seite 32

33 1,19 h -1 1,15 h -1 Abb. 7-9: Mechanische Taglüftung: Messung am 12. Juli 2002 zwischen 19:00 Uhr und 20:00 Uhr Fugenlüftung Im Bürohaus Lamparter wurde eine Blower Door-Messung durchgeführt. Der n50- Wert liegt bei 0,5 h -1. Durch eine Vergleichsmessung soll der gemessene n50-wert unter realen Bedingungen mit dem Luftwechsel durch Fugenlüftung mit der Fugenlänge l und dem Fugendurchlasskoeffizienten a verglichen werden, [DIN 4701]: & 2 / 3 = a l p Gl. 7-1 V 0,06 h -1 0,05 h -1 Abb. 7-10: Fugenlüftung: Messung am 12. Juli 2002 zwischen 20:00 Uhr und 22:00 Uhr. Der Luftwechsel beträgt im Büro SW 0,06 h -1 und im Büro NO 0,05h -1. Die Vergleichsrechnung wird für das Büro SW vorgestellt. In einem ersten Schritt wird die wirksame Druckdifferenz zwischen innen und außen bestimmt. Nach einfacher Umrechnung ergibt sich p=2 Pa. In der Vergleichsrechnung werden folgende Gebäudegrößen verwendet: Das Gebäudevolumen beträgt m³ und das Raumvolumen 60 m³. Die Gebäudehüllfläche beträgt m² und die Außenwand des Büros 14 m². Im folgenden wird die Messung mit zwei Verfahren verglichen, die in der Planung genutzt werden: 1. Nach DIN 4701 kann die Fugenlüftung für unterschiedliche Bauarten abgeschätzt werden. Die Druckdifferenz wird dabei über Lage und Höhe abgeschätzt. Der kleinste Fugendurchlasskoeffizient, der in DIN 4701 angegeben wird, ist a=0,1 für Fraunhofer ISE, Rev Seite 33

34 nicht öffenbare Fenster. Für ein Reihenhaus (vergleichbare Geometrie) in windschwacher Lage mit einer Höhe von 10 m ergibt sich: ( a l) H r 1 LW = = 0,08 h mit H=0,52, r=0,7 und a=0,1. Gl. 7-2 c ρ Hinweis: Das Raumvolumen macht rund 2 % des Gebäudevolumens aus. Der berechnete Luftwechsel bezieht sich strenggenommen auf den Fugenluftwechsel im gesamten Gebäude, hier wird der Luftwechsel aber nur für einen Raum berechnet. 2. Nach Umstellung der Gleichung zur Berechnung des Fugenluftwechsels ergibt sich eine effektive Fugenlänge von 22,7 m. Allein die Fugenlänge des Außenfensters beträgt aber 34 m. Der reale Luftwechsel ist also deutlich kleiner als der kleinstmögliche, durch DIN 4701 berechnete Luftwechsel. Hinweis: Die Fassadenfläche macht nur gut 1 % der Hüllfläche aus. Die Abweichung zwischen Rechnung und Messung kann also auch darauf zurückzuführen sein, dass die Luftdichtigkeit des Büros SW überdurchschnittlich gut ist gegenüber den anderen Außenfassaden und insbesondere des Daches bzw. der einzelnen Bauteilfugen. Die Berechnung des Fugenluftwechsels mit konventionellen Planungsmethoden ist bezogen auf das Bürohaus Lamparter (und insbesondere im Bezug auf das Büro SW) also eine Worst Case-Annahme Hybride Nachtlüftung Diese Lüftungssituation ist gut mit der freien Nachtlüftung vergleichbar, allerdings ist der Wind (in beiden Fällen aus Süd kommend) deutlich schwächer. Obwohl die Temperaturdifferenz zwischen innen und außen nur 3 K (statt 6 K) beträgt, ist der Luftwechsel größer: Die mechanische Lüftung wirkt in beiden Räumen in die gleiche Richtung wie der thermische Auftrieb. Der Wind hat keinen Einfluss auf die sich einstellende Luftströmung. (Der Windeinfluss ist bereits im Szenario freie Nachtlüftung bei höheren Windgeschwindigkeiten vernachlässigbar klein.) Neben der skizzierten Hauptströmungsrichtung bildet sich sowohl nach außen als zur Kombizone eine einseitige Lüftung der Räume aus (Strömungsvisualisierung mit Rauchfaden). Fraunhofer ISE, Rev Seite 34

35 10,00 h -1 8,88 h -1 Abb. 7-11: Hybride Nachtlüftung: Messung am 12. Juli 2002 zwischen 23:50 Uhr und 00:20 Uhr. 7.4 Messergebnisse Die folgende Tabelle stellt die zentralen Ergebnisse der Messungen zusammen. Eine Abschätzung des Luftwechsels über die Randbedingungen Wind und Außentemperatur ist hiermit allerdings nicht möglich, weil die hydraulischen Widerstände (Türen und Fenster) sowie das Zusammenspiel von freier und mechanischer Lüftung die Luftströmung dominieren. Tab. 7-2: Kurzzusammenstellung der Messungen mit Mess-(un-)genauigkeit und Randbedingungen. Messung Luftwechsel [h -1 ] Wind [m/s] - R TL Büro - TL außen [K] Büro SW Büro NO Büro SW Büro NO Freie TL (1) 2,98 (+/- 0,3) 4,68 (+/- 0,7) 1 O + 2,4 + 1,0 Mech. TL (4) 1,19 (+/- 0,1) 1,15(+/- 0,1) 1 O - 0,8-1,0 Hybride TL (3) 3,56 (+/- 0,1) 7,02 (+/- 0,3) 1 O - 1,3-1,8 Fr. NL Mitte (2) 7,31 (+/- 0,1) 6,86 (+/- 0,05) 1 SO + 6,6 + 6,7 Freie NL Tür (2) 7,45 (+/- 0,1) 6,56 (+/- 0,1) 1 SO + 6,6 + 6,7 Hybride NL (6) 10,00 (+/- 0,1) 8,88 (+/- 0,1) 0,5 O + 2,7 + 3,3 Fugenlüftung (5) 0,06 (+/- 0,0) 0,05 (+/- 0,0) 0,5 SW + 1,8 + 1,4 Hinweis: Während der Nachtlüftung (2) stellt sich im ganzen Raum ein nahezu gleicher Luftwechsel ein. 7.5 Strömungsvisualisierung Die Tracergas-Messungen liefern einen Wert für den Luftwechsel. Neben der Kenntnis des Luftwechsels [h -1 ] ist es aber auch wichtig, die Strömungsrichtung zu bestimmen. Damit kann abgeschätzt werden, mit welchen Zonen (hier: Umgebung oder Kombizone) der Luftwechsel stattfindet. Am wurde daher die Luftströmung visualisiert. Fraunhofer ISE, Rev Seite 35