Simulation des thermischen Verhaltens von Gebäuden mit Glas-Doppelfassaden

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1 Simulation des thermischen Verhaltens von Gebäuden mit Glas-Doppelfassaden H. Manz und T. Frank Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA), Abteilung Bauphysik, CH-8600 Dübendorf, Tel: , Zusammenfassung Obwohl Glas-Doppelfassaden (GDF) bereits seit einigen Jahren kontrovers diskutiert werden, findet man sie besonders bei Bürobauten immer öfter. In diesem Artikel soll eine Methode vorgestellt werden, mit welcher die thermischen Vorgänge im Sommer - ein kritischer Punkt bei vielen Gebäuden mit GDF - detailliert modelliert und simuliert werden können. Die Modellierung umfasst drei Stufen: optisches Verhalten der Fassaden Mikroklima in der GDF (Computational Fluid Dynamics) thermisches Verhalten des Gebäudes (Gebäudesimulation) Für jede der drei Stufen sind kommerzielle Planungswerkzeuge (Software) verfügbar, die auf geeignete Weise gekoppelt werden müssen. Anhand eines Beispiels wird das Vorgehen zur Simulation des thermischen Verhaltens von Gebäuden mit Glas-Doppelfassaden veranschaulicht. Résumé Bien que les façades double-peau fassent depuis quelques années l objet d une discussion controverse on les rencontre de plus en plus souvent, en particulier sur les immeubles de bureaux. Cet article présente une méthode qui permet de modéliser et de simuler en détail les processus thermiques de ces façades en été un point critique sur nombre de bâtiment à façades doubles vitrées. Cette modélisation comporte trois étapes: comportement optique des façades microclimat des façades double-peau (mécanique des fluides numérique) comportement thermique du bâtiment (simulation énergétique du bâtiment) Pour chacune de ces trois étapes, des outils (logiciels) d étude de projet sont disponibles sur le marché mais qui demandent à être couplés entre eux de manière adéquate. Un exemple illustre la méthode de simulation du comportement thermique des bâtiments à façades double-peau.

2 1. Einleitung Glas-Doppelfassaden (GDF) sind in letzter Zeit immer häufiger anzutreffen der Werkstoff Glas fasziniert Architekten und Bauherrschaft. Für eine GDF gibt es neben den ästhetischen Überlegungen noch verschiedene technische Argumente. Bei Hochhäusern beispielsweise erlaubt die GDF die sturmsichere Platzierung des Sonnenschutzes oder in Folge des reduzierten Winddrucks das Öffnen der Fenster. Bei stark mit Lärm belasteten Standorten kann die zusätzliche Glasschicht einen verbesserten Schallschutz bieten. Solchen Vorteilen stehen aber verschiedene Risiken gegenüber. So kann sich unter Umständen die Luft in der GDF während des Sommers derart stark erwärmen, dass an eine Fensterlüftung während des Tages nicht mehr zu denken ist. Zudem kann ein Hitzestau im Luftspalt den thermischen Komfort in den dahinter liegenden Räumen arg beeinträchtigen. Die Vor- und Nachteile von GDF sind in Fachkreisen schon oft kontrovers diskutiert worden (siehe z.b. [1]). Einigkeit herrscht insofern, dass GDF in bauphysikalischer Hinsicht komplex sind, und deshalb anspruchsvoll in der Planung. Das erstaunt nicht weiter, wenn man bedenkt, dass Aspekte wie thermischer und visueller Komfort, Wärmeschutz im Sommer und im Winter, Lüftung, Kondensat, Schall- und Brandschutz berücksichtig werden müssen. Einigkeit herrscht auch darüber, dass immer noch Unsicherheiten in der Planung bestehen. Diese Unsicherheiten entstehen vor allem, weil die Luftströmungen, die das thermische Verhalten von GDF prägen, schwierig zu beschreiben sind. Eine kritische Übersicht über Glasdoppelfassaden gibt Gertis [2]. Ob sich eine GDF oder eine Lochfassade besser für ein bestimmtes Objekt eignet, muss für jeden konkreten Fall untersucht und beurteilt werden. Pauschale Antworten sind kaum möglich, besonders auch angesichts der Vielzahl von Bauformen (siehe z.b. [3]). Allgemeine Hinweise zur Planung von hochverglasten Bauten gibt ein Merkblatt des SIA [4]. In dem vorliegenden Artikel soll jedoch eine dreistufige Methode vorgestellt werden, mit welcher die folgenden Vorgänge detailliert modelliert und simuliert werden können: optisches Verhalten der Fassaden Mikroklima in der GDF (Computational Fluid Dynamics) thermisches Verhalten des Gebäudes (Gebäudesimulation) Für jede der drei Stufen sind kommerzielle Planungswerkzeuge (Software) verfügbar, die auf geeignete Weise gekoppelt werden müssen. Anhand eines Beispiels wird das Vorgehen zur Simulation des thermischen Verhaltens von Gebäuden mit Glas-Doppelfassaden veranschaulicht. 2. Modellierung Was muss modelliert werden? Ein Modell ist nur ein vereinfachtes Abbild der Realität. Bei einem grossen Gebäude mit vielen ähnlichen Räumen muss eine kleine Anzahl von repräsentativen Räumen bestimmt und modelliert werden. Sollen die sommerlichen Temperaturen im Gebäude hinsichtlich des thermischen Komforts ermittelt werden, so müssen insbesondere die potentiell kritischen Räume modelliert werden. Ob ein bestimmter Raum überwärmt wird, hängt oft wesentlich vom Gesamtenergiedurchlassgrad der Fassade ab. Wichtig sind auch das Verhältnis zwischen Glas- und gesamter Fassadenfläche, die Steuerung des Sonnenschutzes, die internen Wärmelasten, das Speichervermögen von Wänden, Decken und Böden sowie die Lüftung oder Klimatisierung. Besonders kritisch können zweiseitig verglaste Eckbüros sein diese Situation sollte möglichst vermieden werden. Zur Ueberwärmung können aber insbesondere auch Innenräume hinter Westfassaden neigen, weil bei diesen hohe Solarstrahlungsintensitäten und hohe Aussenlufttemperaturen zeitgleich, d.h. am Nachmittag, auftreten können.

3 Das Vorgehen zur rechnerischen Bestimmung der Strahlungs- und Wärmeflüsse sowie der Temperaturen, die sich im Sommer in einer GDF, bzw. in den Innenräumen des Gebäudes einstellen, gliedert sich in drei Schritte. Optik Im ersten Schritt werden die optischen Vorgänge in der GDF im Wellenlängenbereich der Solarstrahlung modelliert. Hierfür lässt sich beispielsweise die Glasdatenbank-Software GLAD [5] der EMPA nutzen, in der Algorithmen gemäss EN 410 [6] programmiert sind. Andere Softwareprodukte wie WIS und WINDOW eignen sich ebenfalls für diesen Zweck. Die Algorithmen in diesen Programmen berücksichtigen die wellenlängenabhängige Wechselwirkung zwischen den einzelnen Schichten der GDF. Sie liefern integrale Reflexions- und Transmissionsgrade für Solarstrahlung oder sichtbares Licht. Zusätzlich erlauben sie auch die Bestimmung der Absorptionsgrade in allen Schichten. Computational Fluid Dynamics Im zweiten Schritt müssen die thermo- und fluiddynamischen Vorgänge in der GDF modelliert werden. Hierzu kann die Methode der numerischen Strömungsberechnung (Computational Fluid Dynamics, CFD) eingesetzt werden. Eine grössere Anzahl von kommerziellen (CFX, Flovent, Fluent, Star-CD, Phoenics, etc.) und nicht-kommerziellen CFD-Programmen ist verfügbar. Die Grundlage für diese Methode bilden die Erhaltungssätze der Physik für Masse, Impuls und Energie. Ergänzend werden zum Teil aber auch empirische Ansätze (Turbulenz, Wärmeübertragung zu Oberflächen etc.) verwendet. Die Erhaltungsgleichungen führen zu einem System von partiellen Differentialgleichungen, die in diskretisierter Form mit Hilfe geeigneter Algorithmen iterativ gelöst werden. Weil der Lösungsbereich typischerweise in Tausende von Kontrollvolumina oder Rechenzellen unterteilt wird, spricht man auch von Feldmodellen. Die Erhaltungsgleichungen müssen in jedem Kontrollvolumen erfüllt werden. Mit CFD lassen sich aber auch der gekoppelte Infrarot-Strahlungsaustausch von Oberfläche zu Oberfläche (grau, diffus) und die Wärmeleitung in Festkörpern modellieren. Nach der Eingabe von Geometrie- und Materialdaten im CFD-Programm, werden geeignete Randbedingungen gewählt. Die Wahl der Randbedingungen Aussen- und Innentemperatur, Strahlungsintensitäten oder erzwungener (mechanischer) Luftvolumenstrom muss sehr sorgfältig erfolgen, denn die Resultate können wesentlich davon abhängen. Die Wärmequellen in den Gläsern oder auf dem Sonnenschutz lassen sich aus dem Absorptionsgrad der jeweiligen Schicht und der Intensität der Solarstrahlung bestimmen. Zusätzlich müssen oft auch Strömungswiderstände wie Gitter oder Roste charakterisiert werden. Die CFD-Methode wurde bereits in zahlreichen Projekten (z.b. [7,8,9]) erfolgreich für GDF-Anwendungen eingesetzt und mit Hilfe von experimentellen Daten validiert. Die Methode kann, verglichen mit Kolbenströmungsmodellen [10,11], als sehr zuverlässig bezeichnet werden. Da CFD-Simulationen von realen Fassadengeometrien oft einen hohen Rechenaufwand verursachen, wird, beim derzeitigen Verhältnis von Rechenleistung zu Kosten, für Planungszwecke meist auf eine zeitabhängige Berechnung verzichtet. Die Wärmespeichereffekte in massiven Gebäudeteilen, die für die Beurteilung des sommerlichen Wärmeschutzes von grosser Bedeutung sind, können jedoch mit Hilfe eines Gebäudesimulationsprogrammes modelliert werden. Gebäudesimulation In Gebäudesimulationsprogrammen wird ein Raum, bzw. eine Zone, typischerweise durch einen Knoten repräsentiert. Wesentlich für die Beschreibung des thermischen Verhaltens von Gebäuden ist die transiente Wärmeleitung in massiven Teilen der Gebäudestruktur. Die Response-Factor- Methode oder numerische Methoden werden für diesen Zweck angewandt. Auch der konvektive

4 Wärmeübergang an Oberflächen, der Infrarot-Strahlungsaustausch zwischen Oberflächen, Luftströmungen zwischen Zonen sowie interne und solare Gewinne müssen modelliert werden. In vielen Fällen gilt es auch, die Energieflüsse in haustechnischen Systemen zu berücksichtigen. Dieser integrale Ansatz, bei dem alle relevanten Energietransportmechanismen gleichzeitig berücksichtigt werden, macht Gebäudesimulationsprogramme zu wertvollen Werkzeugen um energieeffiziente Gebäude zu planen. Verglichen mit Feldmodellen ist die räumliche Auflösung des Netzwerk-Ansatzes sehr bescheiden. Dieser besitzt aber den grossen Vorteil, dass damit die Rechenzeiten wesentlich reduziert werden können. Falls aber in einer Zone z.b. signifikante Temperaturstratifikationen auftreten, oder das Luftströmungsmuster nicht mit einem einfachen Netzwerk abgebildet werden kann, so müssen Gebäudesimulationsprogramm und CFD gekoppelt werden. Eine grössere Zahl von Gebäudesimulationsprogrammen ist verfügbar (EnergyPlus, ESP-r, DOE, IDA, Helios, TRNSYS, etc.). Typischerweise werden in Stundenschritten die Randbedingungen (Aussenklima, interne Lasten, etc.) eingelesen und alle Energieflüsse bilanziert. Optisches Verhalten der Fassaden: spektrale optische Eigenchaften aller Schichten Geometrie Optik: 1D oder 2D stationär Output: Absorptions- und Transmissionsgrade stationäre R.B. Mikroklima in der GDF: thermische Eigenschaften fluiddynamische Eigenschaften Geometrie Lüftungsmodus CFD: 2D oder 3D stationär Wärmequellen Output: Kopplungsfunktionen Option: dyn. Kopplung Wetterdaten: Sonnenstrahlung Infrarotstrahlung Lufttemperatur Wind transiente R.B. Thermisches Verhalten des Gebäudes: thermische Eigenschaften fluiddynamische Eigenschaften interne Lasten Geometrie HLK Lüftungsmodus Gebäudesimulation: Netzwerkmodell 1D-Wärmeleitung in Wänden transient (lange Zeitperioden, z.b. ein Sommer) Output: Innenlufttemperaturen T i (t) operative Raumtemperaturen T r (t) Heiz-/Kühllasten P(t) Thermischer Komfort Energie Abbildung 1: Konzept zur 3-stufigen Modellierung eines Gebäudes mit Glas-Doppelfassade.

5 Modellkopplung Die Abbildung 1 zeigt das dreistufige Konzept Optik / CFD / Gebäudesimulation um das thermische Verhalten von Gebäuden mit GDF zu modellieren sowie die jeweiligen In- und Outputs pro Stufe. Da für alle Modellierungsstufen Werkzeuge existieren, besteht die Schwierigkeit nur darin, die drei Werkzeuge miteinander zu koppeln. Die Abbildung 2 visualisiert den örtlich variablen Detaillierungsgrad des Modells. Die Kopplung zwischen Optik und CFD erfolgt, indem mit Hilfe der berechneten Absorptionsgrade und der Intensität der Sonnenstrahlung die Wärmequellen in Gläsern und auf opaken Oberflächen (Sonnenschutz, Fassade) berechnet und im CFD Programm definiert werden. Die Kopplung zwischen CFD und Gebäudesimulation kann mit Hilfe einer Funktion erfolgen, welche die Resultate der CFD-Simulationen in einer sehr komprimierten Form darstellt. Das Vorgehen soll im Folgenden anhand eines Beispiels veranschaulicht werden. Dach Aussen: Fassade 1 Aussen: Fassade 2 Boden Abbildung 2: Oertlich variabler Detaillierungsgrad des Modells - Zonenmodell oder Feldmodell - bei einem Gebäude mit Glas-Doppelfassade. 3. Anwendungsbeispiel Für ein 3-geschossiges Bürohaus mit einer frei belüfteten GDF über zwei Stockwerke wurden derartige Simulationen durchgeführt. Abbildung 3 (links und Mitte) zeigt die berechneten Stromlinien im Fassadenbereich. Infolge der Absorption von Solarstrahlung erwärmen sich die Gläser, die Lamellen des Sonnenschutzes und die opaken Fassadenoberflächen. Die erwärmte Luft steigt im Spalt nach oben und tritt im Dachbereich durch das vertikale Lüftungsgitter sowie eine zusätzlich öffenbare Schrägverglasung ins Freie. Durch den begehbaren Rost im ersten Obergeschoss strömt Aussenluft nach. In Abbildung 3 (rechts) ist auch die Temperaturverteilung in einem Vertikalschnitt bei 30 C Aussenlufttemperatur und 830 W/m 2 Globalstrahlung zu sehen. Oft interessiert, welche Erhöhung der Lufttemperatur, bezogen auf die Aussenluft, sich in der GDF einstellt. Abbildung 4 zeigt die berechneten mittleren Übertemperaturen in der GDF in Abhängigkeit der Intensität der Solarstrahlung. Diese beiden Funktionen stellen die Resultate der CFD-Simulationen in einer komprimierten Form dar und eignen sich als Kopplungsfunktionen zwischen CFD und Gebäudesimulation. Nach der

6 Implementierung dieser Funktionen in einem Gebäudesimulationsprogramm kann die Uebertemperatur in der GDF in Stundenschritten bestimmt werden. Abbildung 3: Stromlinien (links und Mitte) und Temperaturverteilung (rechts) in einer GDF an einem Sommertag mit einer hohen Intensität der Solarstrahlung. Uebertemperatur ( C) Geschoss der GDF 2. Geschoss der GDF Strahlungsintensität (W/m 2 ) Abbildung 4: Berechnete mittlere Uebertemperatur in einer GDF in Abhängigkeit der Intensität der Solarstrahlung. Dasselbe Gebäude wurde auch hinsichtlich der passiven Kühlung durch Nachtlüftung untersucht. Das Ziel dieses Konzeptes ist, die Temperatur der Gebäudestruktur mit kühler Nachtluft zu erniedrigen um während des Tages eine Wärmesenke zur Aufnahme der internen und solaren Gewinne bereitzustellen. Die Abbildung 5 zeigt das mit CFD berechnete Strömungsmuster während der Nachtlüftung. Auch hier konnten die CFD-Resultate wieder in komprimierter Form, als Luftvolumenströme pro Raum und in Abhängigkeit der Temperaturdifferenz zwischen Aussenluft und Gebäudestruktur dargestellt und in ein Gebäudesimulationsprogramm implementiert werden. Im Gebäudesimulationsprogramm wurden anschliessend in Stundenschritten der sich während der Nacht einstellende Luftaustausch berechnet.

7 Abbildung 5: Luftströmungen im Gebäude während der Nachtlüftung. Operative Raumtemperatur ( C) Geschoss; mit Nachtlüftung 2. Geschoss; ohne Nachtlüftung 1. Geschoss; mit Nachtlüftung 1. Geschoss; ohne Nachtlüftung Erdgeschoss; mit Nachtlüftung Erdgeschoss; ohne Nachtlüftung Prozent der Zeit (%) > 28 C Nicht akzeptabel < 26.5 C Gut Komfortbereich Abbildung 6: Summenhäufigkeit der operativen Raumtemperatur zwischen 1. Mai und 30. September in einem Gebäude mit Glas-Doppelfassade mit/ohne Nachtlüftung. Die operative Raumtemperatur, definiert als Mittelwert der Raumlufttemperatur und der mittleren Oberflächentemperatur, wird meist verwendet um zu entscheiden, ob der thermische Komfort in einem Raum akzeptabel ist. Für eine Sommerperiode können nun mit Hilfe eines Gebäudesimulationsprogrammes, Abbildung 6 zeigt die Resultate einer Simulation mit dem Programm Helios [12], die operative Temperaturen in verschieden Räumen ermittelt und mit den Komfortanforderungen verglichen werden.

8 4. Schlussfolgerungen Die beschriebene dreistufige Methode zur Simulation des thermischen Verhaltens eines Gebäudes mit Glas-Doppelfassade (Optik, CFD und Gebäudesimulation), mit statischer Kopplung zwischen CFD und Gebäudesimulationsprogramm, ermöglicht zuverlässige Prognosen bei einem vernünftigen Rechenaufwand. Eine dynamische Kopplung (siehe Abb. 1) zwischen CFD und Gebäudesimulationsprogramm mag grundsätzlich zu einer noch höheren Zuverlässigkeit führen. Da aber der Rechenaufwand dafür drastisch ansteigt und keine entsprechenden Programme für Planungsanwendungen verfügbar sind, ist diese Option für die Praxis noch bedeutungslos. Einfachere Ansätze zur Beschreibung des thermischen Verhaltens von Glas-Doppelfassaden als CFD, z.b. mit Hilfe von Kolbenströmungsansätzen [10,11], mögen in gewissen Fällen brauchbare Ergebnisse liefern, in andern aber völlig falsche. Die Verwendung solcher Modelle ist deshalb wenig empfehlenswert. Referenzen [1] Tagungsband Doppelfassaden und Technische Gebäudeausrüstung, Ed: Fachinstitut Gebäude-Klima e.v., Bietigheim-Bissingen, Germany, 1997 [2] Gertis K., Sind neuere Fassadenentwicklungen bauphysikalisch sinnvoll? Teil 2: Glas- Doppelfassaden (GDF), Bauphysik, 2, 1999, p [3] Heusler W., Compagno A., Mehrschalige Fassaden, Fassade/Façade, 1, 1998, [4] Brunner C.U. et al., Gebäude mit hohem Glasanteil Behaglichkeit und Energieeffizienz, Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich, 2002 [5] Glasdatenbank GLAD, Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA), CH-8600 Dübendorf [6] European Standard EN 410. Glass in building Determination of luminous and solar characteristics of glazing. European Committee for Standardization, Brussels, Belgium, 1998 [7] H. Manz, A. Schaelin, H. Simmler, Airflow patterns and thermal behavior of mechanically ventilated glass double façades, Building and Environment, Vol. 39, 2004, [8] H. Manz, Total solar energy transmittance of glass double façades with free convection, Energy and Buildings, Vol. 36, 2004, [9] H. Manz, T. Frank, H. Simmler, Thermal simulation of buildings with double-skin façades, Building Research Information (submitted April 15, 2004) [10] International Standard ISO/DIS (Draft 2003). Thermal Performance of Windows, Doors and Shading Devices Detailed Calculations. ISO Central Secretariat, Geneva, Switzerland [11] European Standard pren (2002), Solar protection devices combined with glazing Calculation of solar and light transmittance Part 2: Reference method. European Committee for Standardization, Brussels, Belgium [12] HELIOS, Gebäudesimulationsprogramm, Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA), CH-8600 Dübendorf