Passive Kühlkonzepte für Büro- und Verwaltungsgebäude

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1 Passive Kühlkonzepte für Büro- und Verwaltungsgebäude Passive Kühlungskonzepte - Planungsrichtlinien

2 Passive Kühlkonzepte für Büro- und Verwaltungsgebäude Leitfaden zur Planung von passiven Kühlkonzepten mittels Nachtlüftung und luft- bzw. wasserdurchströmten Erdreichwärmetauschern Erstellt im Rahmen eines nationalen Projektes in der Programmlinie Haus der Zukunft des österreichischen Bundesministeriums für Verkehr, Innovation und Technologie GZ /1-V/A/6/2000 Ergänzungen zu diesem Leitfaden sowie detaillierte Informationen zum behandelten Thema können dem Endbericht Passive Kühlkonzepte für Büro- und Verwaltungsgebäude mittels luft- bzw. wasserdurchströmten Erdreichwärmetauschern entnommen werden. Autoren: Ernst Blümel AEE INTEC - Arbeitsgemeinschaft ERNEUERBARE ENERGIE Institut für Nachhaltige Technologien A-8200 Gleisdorf Christian Fink Robert Kouba AEE INTEC Arbeitsgemeinschaft ERNEUERBARE ENERGIE Institut für Nachhaltige Technologien A-8200 Gleisdorf Technische Universität Graz, Institut für Wärmetechnik A-8010 Graz Unterstützt durch inhaltliche Beiträge der Unternehmen: Architekturbüro Andexer Moosbrugger, A-8010 Graz Technisches Büro Ing. Walter Bierbauer, A-8162 Passail Technisches Büro Ing. Alfred Herbst, A-8200 Gleisdorf Strobl Bau GmbH, A-8160 Weiz Gleisdorf, im Oktober 2002

3 Inhaltsverzeichnis 1 EINLEITUNG 4 2 PLANUNGSABLAUF - ERMITTLUNG DES KÜHLKONZEPTES 5 3 RAUMKLIMA LUFTZUSAMMENSETZUNG - FRISCHLUFTRATEN RAUMLUFTTEMPERATUR TEMPERATUR DER RAUMBEGRENZUNGSFLÄCHEN LUFTFEUCHTIGKEIT LUFTGESCHWINDIGKEIT 8 4 GEBÄUDEKÜHLLAST UND GEBÄUDEKÜHLENERGIEBEDARF GRUNDSÄTZLICHES INTERNE LASTEN BÜROGERÄTE BELEUCHTUNG ABWÄRME VON PERSONEN EXTERNE LASTEN BÜROORIENTIERUNG SOLARE GEWINNE LÜFTUNGSWÄRMEGEWINNE 16 5 KÄLTEVERTEILUNG UND KÄLTEABGABE 17 6 PASSIVE KÜHLKONZEPTE NATÜRLICHE UND MECHANISCHE NACHTLÜFTUNG GRUNDSÄTZLICHES LÜFTUNGSKONZEPT FÜR DIE NACHTLÜFTUNG SYSTEMAUSLEGUNG UND SYSTEMWAHL LUFTDURCHSTRÖMTER ERDREICHWÄRMETAUSCHER (L-EWT) GRUNDSÄTZLICHES LÜFTUNGSKONZEPT ÜBER L-EWT SYSTEMAUSLEGUNG - AUSWAHL WASSERDURCHSTRÖMTER ERDREICHWÄRMETAUSCHER (W-EWT) UND BETONKERNAKTIVIERUNG (BKA) W-EWT BETONKERNAKTIVIERUNG (BKA) SYSTEMAUSLEGUNG UND SYSTEMWAHL WEITERE PASSIVE KÜHLSYSTEME 30 7 ENERGETISCHER UND ÖKOLOGISCHER VERGLEICH VON KÜHLSYSTEMEN 32 8 LITERATUR 35 3

4 1 Einleitung Ein komfortables Raumklima ist wichtig für das Wohlbefinden des Menschen und stellt in der Regel die Hauptfunktion unserer Gebäude dar. Dabei kann Kühlen genauso wichtig sein wie Heizen. Gegen niedrige Temperaturen kann sich der Mensch sogar besser schützen als gegen hohe. Darüber hinaus wurde das Thema Kühlen im Büro- und Verwaltungsgebäuden in den letzten Jahren - aus mehreren Gründen - ein immer wichtigeres Thema in der Gebäude- bzw. Haustechnik: Der Einsatz- von EDV- und Bürogeräten hat in den letzten Jahren konstant zugenommen. Somit auch die Last, die aus diesen Geräten - trotz großer technischer Verbesserungen - resultiert. Zunehmend werden Strategien verfolgt, den Heizenergiebedarf zu senken (Passiv- und Niedrigenergiebauweisen: verbesserte opake Wärmedämmung, luftdichte Gebäudehüllen, verstärkte passive Sonnenenergienutzung, mechanische Lüftungsanlagen mit WRG), was jedoch bei unzureichender Planung zum Anstieg des Kühlenergiebedarfs führen kann. Falsches Nutzerverhalten kann in diesem Zusammenhang zu unnötigen Wärmeeinträgen und somit überwärmten Büroräumen führen. Benutzeransprüche an die Arbeitsplatzbedingungen sind berechtigterweise (wie Studien zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit von Menschen in Büroräumen zeigen) in den letzten Jahren gestiegen. Der bisher übliche Weg, die Kühllasten durch den Einsatz von konventionellen Kältemaschinen (zentral oder dezentral) abzuführen, verursacht neben den Investitionskosten auch hohe Betriebskosten. So kann es durchaus sein, dass die Betriebskosten für die Kühlung höher sind als die Heizkosten. Erfahrungswerte zeigen, dass der durchschnittliche Strombedarf für Kompressionskälteanlagen rund 50 kwh/m²a beträgt (Eicker, 2001). Diese Umstände führen dazu, dass sowohl aus ökologischen als auch ökonomischen Gründen bei der Planung von Bürobauten neue Wege beschritten werden müssen. Diese beruhen im wesentlichen auf: Reduktion der externen und internen Lasten durch konkrete Maßnahmen in der Planungsphase. Deckung des verbleibenden Kältebedarfs möglichst aus Umweltenergien. Die hier vorliegenden Planungsrichtlinien sollen diesen Ansatz unterstützen und eine Orientierungshilfe geben, um ein ressourcenschonendes und ökonomisch sinnvolles Kühlkonzept für Bürogebäude erstellen zu können. Behandelt werden die Systeme Nachtlüftung, luftdurchströmter Erdreichwärmetauscher und wasserdurchströmter Erdreichwärmetauscher für die klimatischen Bedingungen in Mitteleuropa. 4

5 2 Planungsablauf - Ermittlung des Kühlkonzeptes Die Wahl eines Kühlsystems erfolgt primär aufgrund der benötigten Kühlleistung. In der Regel fällt die schlussendliche Entscheidung auf jenes System, das den geforderten Komfort zu den geringsten Kosten ermöglicht. Der nachfolgende Planungsleitfaden soll sowohl technische als auch wirtschaftliche Hilfestellungen bei der Definition von ökologischen Energiekonzepten zur Kühlung von Büro- und Verwaltungsbauten bieten. Dabei ist es durchaus möglich, dass mehrere Systeme realisierbar sind. In diesem Fall ist eine detailliertere Betrachtung der einzelnen Kühlkonzepte in Verbindung mit Systemsimulationen bzw. einer gesamten Gebäudesimulation sinnvoll. Auch die von Projekt zu Projekt verschiedenen baulichen bzw. örtlichen Rahmenbedingungen spielen eine bedeutende Rolle und haben wesentlichen Einfluss auf die Kosten der einzelnen Systeme. Systemkombinationen werden in dieser Publikation zwar nicht behandelt, können aber je nach Situation, sinnvolle Lösungen ergeben. Das Struktogramm soll die Auswahl von passiven Kühlsystemen entsprechend ihrer Leistungsfähigkeit und Effizienz ermöglichen. Büro- und Verwaltungsbauten Anforderungen an ein behagliches Raumklima Kapitel 3 Nein Ja Anforderungen an ein behagliches Raumklima müssen nicht eingehalten werden Anforderungen an ein behagliches Raumklima müssen eingehalten werden Kühllastreduktion möglich Bauliche Kühllastreduktion Kapitel 4 Kühllastreduktion nicht möglich Erforderliche spezifische Kühlenergie 90 Wh/m²d Ja Nein Keine Kühlung erforderlich Ja Erforderliche spezifische Kühlenergie 150 Wh/m²d Nein Nachtlüftung Kapitel 6.1 Ja Erforderliche spezifische Kühlenergie 300 Wh/m²d Nein L-EWT Kapitel 6.2 Ja Erforderliche spezifische Kühlenergie 480 Wh/m²d Nein W-EWT & BKA Kapitel 6.3 Erforderliche spezifische Kühlenergie 480 Wh/m²d Ja Kombinationen aus sämtlichen passiven Kühlkonzepten in Verbindung mit aktiven Systemen sind je nach Einsatzfall realisierbar. Abbildung 1: Struktogramm zur raschen Auswahl passiver Kühlsysteme Ausgehend vom obigen Struktogramm wird in den nachfolgenden Kapiteln detailliert auf die einzelnen Schnittstellen im Ablaufplan eingegangen. 5

6 3 Raumklima Das Raumklima wird im wesentlichen bestimmt durch die Luftzusammensetzung, die Lufttemperatur, die Luftfeuchtigkeit, die Luftbewegung und die Temperatur der Raumbegrenzungen. Zusammen mit der Art der Tätigkeit und der Bekleidung bestimmt es den Grad der Behaglichkeit der sich in einem Raum aufhaltenden Personen. Da das Behaglichkeitsempfinden von Mensch zu Mensch verschieden ist, ist es kaum möglich ein Raumklima zu schaffen, das alle Personen gleichzeitig als gut empfinden. Vernünftigerweise akzeptabel ist ein Zufriedenheitsgrad von ca. 85 Prozent der betroffenen Personen, wie er in der ISO-Norm 7730 (ISO EN 7730, 1994) angegeben wird. 3.1 Luftzusammensetzung - Frischluftraten Die Zusammensetzung der Raumluft wird in Bürobauten im wesentlichen durch die Rauminsassen und dem Material der Büroausstattung beeinflusst. Diese geben Kohlendioxid, Wasserdampf und Geruchsstoffe an ihre Umgebung ab. Wird nicht geraucht, so muss pro Person und Stunde eine Frischluftmenge von m³ zugeführt werden, um verbrauchte und verunreinigte Luft zu ersetzen. Wird geraucht, so muss diese Menge auf etwa 40 bis 70 m 3 pro Person und Stunde erhöht werden. Für Büros und Arbeitsplätze ohne besondere Luftverunreinigung ergeben sich Luftwechselraten von einmal bis dreimal pro Stunde. Die erforderliche Frischluftmenge liegt bei normaler Bürotätigkeit in Nichtraucherbüros bei m³/h und Person. In Raucherbüros bei m³/h und Person. 3.2 Raumlufttemperatur In Tabelle 1 sind die Lufttemperaturen abgestuft nach der Art der Tätigkeit - aufgeführt, die für Räume angemessen sind, in denen die mittlere Temperatur der Raumbegrenzungsflächen etwa im Bereich der Lufttemperatur liegt und die Luftbewegung gering ist. Bei hohen Außentemperaturen sind diese Temperaturen nach oben anzupassen (~ 2 4 C). Die ideale Raumlufttemperatur bei sitzender Bürotätigkeit bewegt sich zwischen 21 und 23 C. 6

7 Tabelle 1: Behagliche Raumlufttemperaturen für mittlerer Bürobekleidung, abgestuft nach der Art der Tätigkeit (SECO, 1999) Art der Tätigkeit Sitzende, vor allem geistige Tätigkeit Lufttemperatur [ C] Sitzende, leichte Handarbeit Leichte körperliche Arbeit mit Stehen und Fortbewegen Mittelschwere körperliche Arbeit Schwere körperliche Arbeit Temperatur der Raumbegrenzungsflächen Die empfundene (oder operative) Raumtemperatur ist eine Funktion der Raumlufttemperatur und der Temperatur der Raumbegrenzungsflächen und lässt sich aus dem arithmetischen Mittel zwischen Lufttemperatur im Raum und Strahlungsemperatur der Raumumschließungsflächen ermitteln. Temperatur - Behaglichkeitsdiagramm nach [DIN 1946 Teil 2, 1994] operative Raumtemperatur [ C] Außenlufttemperatur [ C] Abbildung 2: Temperatur - Behaglichkeitsdiagramm nach (DIN 1946 Teil 2, 1994) Die operative Raumtemperatur soll 26 C bzw. bei höheren Außenlufttemperaturen 27 C nicht überschreiten. 7

8 Gute Behaglichkeitswerte werden erreicht, wenn die mittlere Oberflächentemperatur der Raumbegrenzungsflächen nicht mehr als ±4 C von der mittleren Raumlufttemperatur abweicht. Abbildung 2 stellt den Bereich der operativen Raumtemperatur nach DIN 1946 (DIN 1946 Teil 2, 1994) dar. Der gelbe Bereich ist dabei die empfohlene operative Raumtemperatur. Treten unterhalb einer Außentemperatur von 29 C kurzzeitig höhere Wärmelasten auf, so darf die Raumtemperatur bis 26 C ansteigen (roter Bereich). Je nach Lüftungssystem (z.b. für Quelllüftung) können auch tiefere operative Raumtemperaturen zwischen 20 und 22 C zugelassen werden (blauer Bereich). 3.4 Luftfeuchtigkeit Der Behaglichkeitsbereich erstreckt sich für die Luftfeuchtigkeit im Bereich von 30% relativer Feuchte im Winterbetrieb (bei C) bis 65 % relativer Feuchte im Sommerbetrieb (bei C). Gelegentliche Unterschreitungen an wenigen Tagen pro Jahr bis 20 % relativer Feuchte und gelegentliche Überschreitungen bis 75 % relativer Feuchte sind physiologisch unbedenklich. Die ideale Raumluftfeuchtigkeit bewegt sich in einem relativ breiten Bereich von 30% relativer Feuchte (Winter) und 65% relativer Feuchte (Sommer). 3.5 Luftgeschwindigkeit Als Faustregel gilt, dass die Luftbewegung im Aufenthaltsbereich 0,15 bis 0,25 m/s nicht überschreiten sollte. Die unteren Werte gelten eher für Lufttemperaturen um 20 C und Winterbetrieb, die oberen Werte eher für Lufttemperaturen um C und Sommerbetrieb. Beide gelten primär für sitzende, leichte Tätigkeit. Bei intensiver Tätigkeit können die Werte etwas höher liegen. Bei tiefen Lufttemperaturen und kühler eingeblasener Luft sind langsamere Luftgeschwindigkeiten anzustreben. Luftbewegungen im Aufenthaltsbereich sollten 0,15 bis 0,25 m/s nicht überschreiten. 8

9 4 Gebäudekühllast und Gebäudekühlenergiebedarf Im Gegensatz zur Heizlast kann die Kühllast nicht mit einfachen flächen- bzw. volumenbezogenen (Energie-) Kennzahlen (W/m², W/m³) näherungsweise berechnet werden. Der Grund dafür liegt darin, dass bei der Ermittlung der Heizlast die Transmission durch die Gebäudehülle den wesentlichen Anteil darstellt. Gewinne durch Sonneneinstrahlung und innere Wärmequellen werden nicht berücksichtigt, da die minimalen Außentemperaturen im Normalfall in den Nachtstunden auftreten und somit außerhalb der üblichen Bürozeiten. Die Kühllast hingegen wird im wesentlichen von den thermischen Anforderungen an das Raumklima (Kapitel 3.2 und 3.3), den internen Wärmelasten (Kapitel 4.2) und den externen Wärmelasten (Kapitel 4.3) bestimmt. Weiters spielt die Speichermasse des Gebäudes eine Rolle, ob Spitzenlasten von den Raumumschließungsflächen gespeichert und zeitverzögert abgegeben werden können oder ob aufgrund einer leichten Bauweise eine sofortige Umwandlung der Strahlungsenergie in Wärme erfolgt. Diese Umstände führen dazu, dass zwar in der Projektierungsphase eines Objektes Richtwerte für einzelne Lasten sehr hilfreich sind, die genaue Bestimmung der Kühllast jedoch aufwendige dynamische Gebäudesimulationen erfordert. Gute Ergebnisse liefert dabei: die in den letzten Jahren standardisierte Variante: Simulationsprogramme von unterschiedlichsten Software-Produzenten, die auf Basis der VDI 2078 (VDI 2078, 1996) arbeiten. die dynamische Simulationssoftware TRNSYS (TRNSYS, 2000), die eine sehr detaillierte Nachbildung von Gebäuden ermöglicht. 4.1 Grundsätzliches Eine Gebäudekühlung ist aus ökologischer und ökonomischer Sicht nur dann sinnvoll und zu vertreten, wenn zuerst kostengünstigere bauliche Maßnahmen für einen sommerlichen Wärmeschutz berücksichtigt wurden. Das Gebäudeverhalten bei hohen Außentemperaturen und hoher Einstrahlung kann wesentlich durch Parameter, wie Büroorientierung, Speichermasse, Sonnenschutz (Verschattung) beeinflusst werden. Bei guter Abstimmung dieser Parameter kann sowohl die maximale Gebäudekühllast als auch der Jahresenergiebedarf für die Gebäudekühlung erheblich reduziert bzw. im Optimalfall eine Kühlung überhaupt eingespart werden. In den nachfolgenden Kapiteln wird daher, neben der Definition von Richtwerten für interne und externe Lasten, explizit auf die baulichen Anforderungen eingegangen. Leichtbau: sowohl Decke als auch Fußboden sollen massiv ausgeführt werden. Massivbau: neben den massiven Wänden soll zumindest ein massiver Boden oder eine massive Decke in direktem Kontakt mit dem Raum stehen. 9

10 Die Speichermasse des Gebäudes ist das Stabilisierungselement der Raumtemperatur. Je größer die Speichermasse, desto gleichmäßiger die Innentemperaturen. Die Funktion der Speichermasse beruht darauf, dass am Tag ein Teil der im Innenraum anfallenden Wärme gespeichert und nachts wieder entladen wird. Dies bewirkt einen Ausgleich der Raumtemperatur zwischen Tag und Nacht. Wird in der Nacht die Speichermasse mit kühler Luft umspült, so kann auf diese Weise ein Kühleffekt für die folgenden Tagstunden bewirkt werden. Die Auskühlperiode sollte dabei mindestens 5 Stunden dauern, um eine merkbare Verbesserung zu erzielen. Voraussetzung für den thermischen Tag-Nacht-Ausgleich ist, dass die thermische Speichermasse im Raum wirksam ist. Dazu ist notwendig, dass die als thermische Speicher vorgesehenen Bauteile: aus geeignetem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit und guter Wärmespeicherfähigkeit bestehen (Beton, schweres Mauerwerk, usw.). Entscheidend für die Wirkung sind die raumseitig obersten 10 cm. große Oberflächen zum Innenraum aufweisen (Decke, Fußboden, große Wandflächen). die Oberflächen raumseitig offen zugänglich sind (d.h. keine abgehängten Decken, aufgeständerten Böden, usw). 4.2 Interne Lasten Die internen Wärmequellen in Büroräumen können wie folgt kategorisiert werden: Bürogeräte wie z.b. Computer, Monitore, Kopierer, Faxgeräte und Scanner Beleuchtungseinrichtungen (Glühbirnen, Fluoreszenz-Röhren) Anwesende Personen Bürogeräte Für die Bestimmung des Kühlleistungsbedarfs stellen in der warmen Jahreszeit (Übergangszeit, Sommer) die elektrischen Geräte in der Regel die bedeutendste interne Last dar. In der Quantifizierung der Geräteabwärmen ist allgemein zu bemerken, dass die Leistungsaufnahmen der meisten EDV- und Bürogeräte in den letzten Jahren durch den technologischen Fortschritt signifikant reduziert wurden. Der elektrische Jahresverbrauch eines PC s (ohne Monitor) reduzierte sich beispielsweise in den letzten Jahren von rund 170 kwh unter 40 kwh. Trotzdem hat die dem Raum zugeführte Wärmelast in der Regel eher zu- als abgenommen. Die Gründe dafür liegen einerseits in der erhöhten Gerätedichte und andererseits in der Zunahme der täglichen Betriebsdauer, wobei ein Ganztagesbetrieb des EDV-Systems aufgrund der Gerätevernetzung und des Umfangs der eingesetzten Software in vielen Büroeinheiten bereits üblich ist. In Tabelle 2 sind typische Wärmelasten von Bürogeräten (EVA, 2000) zusammengefasst, wobei zwischen den verschiedenen Betriebszuständen (aktiv/standby/aus) unterschieden wird. In diesem Zusammenhang ist zu erwähnen, dass beim derzeitigen Nutzerverhalten nur etwa 30% des Energieverbrauchs für die aktive Gerätenutzung (Rechnen) verbraucht werden. Die restlichen 70% sind dem standby und aus Modus zuzuordnen. 10

11 Tabelle 2: Bandbreite typischer derzeit eingesetzter Bürogeräte (EVA, 2000) Wärmelast [W] Gerät aktiv standby aus PC Monitor (17 ) PC + Monitor Laserdrucker Tintenstrahldrucker Faxgerät Kopierer Scanner Beleuchtung Durch ineffiziente Geräte bzw. ineffizienten Einsatz kann das Beleuchtungssystem zu großen Wärmelasten führen. Deshalb ist es primär wichtig, dass die künstliche Beleuchtung auch wirklich bedarfsabhängig ein- und ausgeschaltet wird und nicht automatisch einem Ganztagesbetrieb unterworfen wird. Die dafür notwendige moderne Lichtregelung verbindet Präsenzmelder und Tageslichtsensoren. Letztere unterscheiden zwischen Tages- und Kunstlicht um eine Selbstbeeinflussung zu vermeiden. Moderne Bürobeleuchtungen sind mit einer installierten Leistung von 5-10 W/m 2 und einer Beleuchtungsstärke von 300 bis 400 Lux realisierbar. Voraussetzung dafür sind möglichst direkt leuchtende Leuchtstofflampen in hellen Räumen. In Tabelle 3 sind als Richtwert Nennbeleuchtungsstärken für verschiedene Bereiche in Bürogebäuden zusammengestellt (VDI 2078, 1996). Tabelle 3: Nennbeleuchtungsstärken für verschiedene Bürobereiche (VDI 2078, 1996) Art der Arbeit bzw. Arbeitsräume E [lx] Arbeitsräume ohne manuelle Tätigkeiten 50 Arbeitsräume mit gelegentlichen manuellen Tätigkeiten 100 Arbeitsräume mit ständig besetzten Arbeitsplätzen ohne besondere Anforderungen Arbeitsräume für mittelfeine Arbeiten bzw. einfache Sehaufgaben Raumzonen mit Bildschirmarbeitsplätzen Arbeitsräume für feine Arbeiten bzw. normale Sehaufgaben 500 Einzelplatzbeleuchtung mit zusätzlicher Allgemeinbeleuchtung für sehr feine Arbeiten bzw. kritische Sehaufgaben 1000 Sicherheitsbeleuchtung für Rettungswege 1 11

12 Die, bei in Betrieb stehenden Gebrauchsglühbirnen, anfallende Wärmelast weist für gewöhnlich einen Strahlungsanteil von 70% und einen Konvektionsanteil von 30% auf. Bei Fluoreszenzröhren betragen die respektiven Werte jeweils 50%. Eine Verminderung der Wärmelast für den Raum bei gleich bleibender Beleuchtungsstärke ist dadurch erreichbar, dass die Abwärme direkt über das Lampengehäuse abgeführt wird (bis zu 75%) Abwärme von Personen Bei Ausführung von typischen Bürotätigkeiten und einer Raumlufttemperatur von 23 C produziert eine Person etwa 120 W Wärmeleistung (VDI 2078, 1996). Stellt man weiters typische Belegungsdichten für Bürogebäude in Rechnung, so müssen für die Raumlastbestimmung im Einzelbüro bspw. 5 W/m 2 über max. 9 Std. und im Großraumbüro 7 W/m 2 über durchschnittlich 6 Std. berücksichtigt werden (Zimmermann, 1999). Damit tragen die Personen mehr als 1/5 zur gesamten Wärmelast eines mittleren Büros bei. In Sitzungsräumen ist der Anteil der Personenabwärmen noch wesentlich höher. Hier beträgt er oft die Hälfte bis 2/3 der gesamten Wärmelast. Bei Raumtemperaturen im Behaglichkeitsbereich entfallen etwa 60% auf sensible Wärmeabgaben (Konvektion, Wärmestrahlung) und 40% auf die latente Wärmeabgabe (Verdunstung). Letztere wird für die Raumlast nicht berücksichtigt, da sie zu keiner spürbaren Temperaturerhöhung führt. Abbildung 3: Offen zugängliche Speichermassen zur Reduktion der Spitzenkühllasten Durchschnittliche interne Lasten im Bürobau: Bürogeräte Beleuchtung Personen ~5 10 W/m² ~5 10 W/m² ~5 7 W/m² Basis: 120 W/Person, 1 PC/Person Flächenbelegung: 18m²/Person 4.3 Externe Lasten Die externen Lasten setzen sich überwiegend aus folgenden Anteilen zusammen: Solare Gewinne Lüftungswärmegewinne Büroorientierung Die Orientierung einer Büroeinheit spielt eine maßgebende Rolle für die effektiv auftretende Zonenlast. Verdeutlicht wird das durch die Zahlen aus dem Endbericht des vorliegenden Projektes (Fink et. al., 2002): Ein Bürogebäude in schwerer Bauweise 12

13 (> 300 kg/m² Nutzfläche) hat nach allen Haupthimmelsrichtungen Büroräume mit einer rund 7 m² großen Verglasungsfläche (entspricht hier ~ 25% der Büronutzfläche). Der Verschattungsgrad beträgt 45%, d.h. 55% der einfallenden Solarstrahlung gelangen in den Raum. Abbildung 4 zeigt die einfallende Solarstrahlung in die Büroräume zu den Sommermonaten Juni August für alle vier Himmelsrichtungen. Beispielsweise liegen die Energieeinträge durch die Solarstrahlung in den Ost- und Westbüros für den Monat Juli um rund 30% über jenen der Südbüros. Im Monat Juni um bis zu 40% darüber. Die Gründe für diese Ergebnisse sind: die nahezu gleichen Einstrahlleistungen ( W/m²) auf die Ost-, Süd- und Westfassade sowie die, im Vergleich zur Südfassade, deutlich flacheren Einstrahlungswinkel auf die Ost- und Westfassade 180,00 160,00 Bilanz der einfallenden Solarstrahlung für die in die Haupthimmelrichtungen orientierten Zonen Sommermonate Juni bis August, Graz 1998 Z2_Nord Z4_Ost Z6_Süd Z8_West 140,00 120,00 100,00 80,00 60,00 40,00 20,00 0,00 Juni Juli August Sommermonate Abbildung 4: Bilanz der einfallenden Solarstrahlung für die in die Haupthimmelsrichtungen orientierten Büroeinheiten eines schweren Bürogebäudes. Dargestellt sind die Sommermonate Juni bis August. (Fink et. al., 2002) Vor allem die Ostzonen sind dabei in Bürogebäuden speziell zu beachten. Es kommt schon am Morgen, zum Teil noch vor Arbeitsbeginn, zu einer starken Besonnung, die bereits in den ersten Stunden die Raumtemperatur um einige Grad erhöht. Diese frühzeitige Wärmebelastung wirkt sich in weiterer Folge auf den ganzen Tag aus. Abbildung 5: Natürliche und künstliche Be ttung von Verglasungsflächen Die Orientierung eines Büroraumes hat einen maßgebenden Einfluss auf dessen Kühllast. Ostzonen sind dabei speziell zu beachten. 13

14 4.3.2 Solare Gewinne Im Kontext einer möglichen sommerlichen Überhitzung durch solare Einstrahlung sind folgende Aspekte zu berücksichtigen: Klimatische Voraussetzungen, Regulierung des Wärme- und Strahlungsdurchgangs an den Fenstern, bauliche Anordnung der Fensterflächen. Der Hauptteil des solaren Eintrags in die Raumlast erfolgt über die Fensterflächen, wobei die Energie sowohl direkt über Strahlung (Transmission durch die Verglasung) als auch indirekt über Konvektion an den Innenraum überführt wird. Der Konvektionsanteil kommt dadurch zustande, indem ein Teil der auftreffenden Solarstrahlung an der Verglasung absorbiert, die Scheibe entsprechend erwärmt wird und dadurch ein Temperaturgefälle zur Rauminnenluft entsteht. Ergänzend gibt die erwärmte Verglasung auch noch langwellige Wärmestrahlung an den Innenraum ab. Der gesamte für die Berechnung der Raumlast relevante Anteil der auf eine Fensterfläche auftreffenden Solarstrahlung wird über den Energiedurchlasskoeffizienten g angegeben. Der für die Kühllastberechnung eingeführte entsprechende Durchlasskoeffizient b berechnet sich aus b = g/0,8 (VDI 2078, 1996). In Tabelle 4 ist der b-faktor und der Konvektivanteil für eine Reihe von Verglasungstypen aufgelistet. Tabelle 4: b-faktor und Konvektivanteil für ausgewählte Verglasungstypen (VDI 2078, 1996) Durchlassfaktor b [-] Konvektionsanteil [%] Einfachverglasung 1,1 5 Doppelverglasung 1,0 9 Reflexionsglas Doppelverglasung 0,28 29 Isolierglas Doppelverglasung Absorptionsglas Doppelverglasung 0,9 9 0,68 15 Neben der Größe und Orientierung der Fensterflächen ist auch der Sonnenschutz (Lamellenjalousien, Stoffjalousien, Reflexrollos, etc.) ein entscheidender Faktor. Sonnenschutzeinrichtungen an transparenten Bauteilen übernehmen dabei folgende Funktionen: Vermeidung störender Lichtreflexe auf Computermonitoren Direktes Sonnenlicht, heller Himmel oder hell beleuchtete Flächen sollen nicht blenden Eine zu starke Erwärmung der Räume durch hohe Wärmezufuhr infolge der Sonneneinstrahlung soll vermieden werden 14

15 Tabelle 5: Durchlassfaktor und Konvektivanteil von Sonnenschutzvorrichtungen nach (VDI 2078, 1996) Sonnenschutz Außenliegende Jalousie, Öffnungswinkel 45 Zwischen den Scheiben, Jalousie, Öffnungswinkel 45, unbelüfteter Zwischenraum Innenliegende Jalousie, Öffnungswinkel 45 Durchlassfaktor b [-] Konvektionsanteil [%] 0,15 9 0,5 85 0,7 90 Gardinen 0,5 60 Der Anordnung und der Art des Sonnenschutzes kommt dabei eine große Bedeutung zu. Außenjalousien stellen, mit Energiedurchlasskoeffizienten von < 15% (weniger als 15% der gesamten Solarstrahlung gelangen in den Raum) einen wirksamen Sonnenschutz dar. Innenverschattungen sowie zwischen den Scheiben liegende Jalousien sind aufgrund der geringeren Wirkung nicht zu empfehlen. Sie dienen daher primär als Blendschutz. In Tabelle 5 sind zum Vergleich b-werte von unterschiedlich positionierten Sonnenschutzvorrichtungen angeführt. Dabei sind bei innen- und zwischen den Scheiben liegenden Jalousien die signifikanten Erhöhungen des b-wertes deutlich zu erkennen. Sonnenschutzvorrichtungen sind wirksame Maßnahmen zur Reduktion der Gebäudekühllast. Außenliegende Verschattung sind dabei innenliegenden vorzuziehen. Abbildung 6: Großzügige Verglasung bei Büro- Verwaltungsbauten 15

16 Für externe Lasten durch Solargewinne kann, ausgehen von einer sehr guten Außenverschattung (b-wert < 0,15) in Verbindung mit unterschiedlichen Verglasungsarten, ein Richtwert von W/m² Büronutzfläche angegeben werden. Basis dafür sind sommerliche Einstrahlungsmaxima auf vertikale Fassaden von 600 W/m² bis 700 W/m² und ein Verhältnis zwischen Verglasungsfläche und Büronutzfläche von 1: Lüftungswärmegewinne Bei einem Luftaustausch zwischen innen und außen entsteht ein Lüftungswärmegewinn, da warme Raumluft durch heiße Außenluft ersetzt wird. Er wird bei der Auslegung der Kühleinrichtungen und Kühlflächen zur Kühlung von Gebäuden durch den Norm- Lüftungsbedarf berücksichtigt. Der Lüftungskühlbedarf ist die stündlich aufzubringende Kühlmenge, um die Luft des aus dem Luftwechsel herrührenden Luftvolumenstromes V von der Außentemperatur T La, auf die Innentemperatur T Li zu kühlen. Bei Rahmenbedingungen mit einer Luftinnentemperatur T Li = 24 C, einer Außenlufttemperatur von T La = 32 C und einem hygienisch erforderlichen Luftwechsel von 30 m³/h pro Person ergibt sich ein Lüftungswärmegewinn von rund 80 W/Person. Hochgerechnet auf eine durchschnittliche Flächenbelegung von 18 m²/person ist das eine Wärmelast von über 4 W/m². Damit liegt die Belastung des Raumes durch den Luftwechsel rund bei der Hälfte der Abwärmen durch die Person selbst (ca. 7 W/m²) beziehungsweise einer effektiven Beleuchtung (5 10 W/m²). Solargewinne Lüftung ~ W/m² ~ 4 W/m² Basis: Verschattungsgrad 80%, A Verglasung /A Büro = 0,20 durchschnittlicher hygienischer Luftwechsel von 30 m³/h und Person, Flächenbelegung 18m²/Person 16

17 5 Kälteverteilung und Kälteabgabe Wie bereits in Kapitel 3.1 behandelt, ist in Bürogebäuden aus hygienischer Sicht eine Mindestluftmenge von m³/h pro Person erforderlich. Diese Mindestluftmenge kann aus hygienischer und energetischer Sicht (Möglichkeit der Wärmerückgewinnung, kontrollierte Zufuhr von Wärmelast,...) nur über eine kontrollierte Be- und Entlüftung sinnvoll bereitgestellt werden. Die erforderliche Frischluftmenge kann dabei gleichzeitig zur Kühlung der Büroräume herangezogen werden, ohne dass zusätzliche Kosten für den Transport der Kühlenergie anfallen. Das heißt, die Außenluft wird zentral angesaugt und nach der Abkühlung dem Raum zugeführt wird. In der Regel reicht diese Luftmenge jedoch nicht aus, um die gesamte Raumlast abzuführen. Für die Abfuhr der restlichen Kühllasten stehen somit folgende Möglichkeiten zur Verfügung: Kühlung durch Erhöhung der Luftwechselrate Kühlung über ein wassergeführtes System Bleibt die Aktivierung von Speichermassen durch natürliche Nachtlüftung hier außer Betracht (folgt in Kapitel 6.1) so ist eindeutig Wasser als Kälteträger zum Transport von Kühlenergie zu bevorzugen. Der Grund dafür liegt in der deutlich höheren spezifischen Wärmekapazität und in der höheren Dichte von Wasser gegenüber Luft. Ein Beispiel soll dies verdeutlichen: Um die Kühlleistung von Q K = 1 kw abzuführen, ist bei einer gewählten Temperaturdifferenz von 10 K ein Luftvolumenstrom von rund 300 m³/h erforderlich. Bei einem Druckverlust von 1000 Pa und einem Ventilatorwirkungsgrad von η ges = 50% ergibt das eine erforderliche elektrische Antriebsleistung von 167 W. Bei Wasser werden rund 0,29 m³/h benötigt um Q K = 1 kw mit einer Temperaturdifferenz von 3 K abzuführen. Bei einem Druckverlust von Pa und einem Pumpenwirkungsgrad von η ges = 30% ergibt das eine elektrische Antriebsleistung von 5 W. Verglichen mit dem Luftsystem also einen um das rund 30-fache geringeren Primärenergieeinsatz. Desweiteren wird bei luftgeführten Systemen mit hohen Luftmengen ein Kanalnetz mit großen Dimensionen erforderlich, was hohe Investitionskosten verursacht und aufgrund der meist begrenzten räumlichen Verhältnisse die technische Realisierbarkeit schwieriger macht. Die Kühlung über ein Lüftungssystem sollte aus energetischer Sicht nur im Bereich des hygienischen Mindestluftwechsels erfolgen. Sind zusätzliche Kühlleistungen erforderlich, so ist ein Wassersystem zu bevorzugen. Bezogen auf 1 kw Kühlleistung ist für den Transport des Mediums beim Lüftungssystem ein rund 30 mal höherer Primärenergieeinsatz erforderlich als bei einem vergleichbaren Wassersystem. 17