KANN EINE GEBÄUDEHÜLLE MIT STEUERBAREM U-WERT ZUR REDUKTION DES KÜHLENERGIEBEDARFS BEITRAGEN?

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1 KANN EINE GEBÄUDEHÜLLE MIT STEUERBAREM U-WERT ZUR REDUKTION DES KÜHLENERGIEBEDARFS BEITRAGEN? D. Bionda, U. P. Menti, und H. Manz Hochschule Luzern Technik & Architektur, Zentrum für Integrale Gebäudetechnik, Horw, Schweiz KURZFASSUNG Gut gedämmte Hüllen haben den Nachteil, dass bei Gebäuden mit hohen internen Wärmelasten und mit Kühlbedarf falls die Aussentemperatur tiefer als die Raumtemperatur ist eine passive Abfuhr der Wärme durch Transmission verhindert wird. Dies hat eine Erhöhung des Kühlenergiebedarfs zur Folge. Die vorliegende Studie untersucht mittels Gebäudesimulation und Parametervariation das Energieeinsparpotenzial, welches bei einem Gebäude mit Aussenwänden mit steuerbarem U-Wert erzielt werden kann. Das Wandmodell des verwendeten Gebäudesimulationsprogramms (IDA ICE) wurde erweitert, um eine dynamische Änderung der Bauteileigenschaften während der Simulation zu ermöglichen. Die Resultate der Simulationen für einen typischen Bürobau zeigen, wieviel Energie unter welchen Bedingungen durch Steuerung der Transmissionsverluste durch die Aussenwände eingespart werden kann. ABSTRACT Well insulated building envelopes have the drawback that when the outdoor temperature drops below the indoor temperature they hinder passive heat losses in buildings with high internal gains and cooling demand. This results in an increase of the cooling energy consumption. The present study investigates the energy saving potential of a building whose external walls have a switchable thermal transmittance. The investigations were performed by means of building energy simulations with parameter variation. For this, the wall model of the program used (IDA ICE) was modified to allow changing the thermophysical properties of the building envelope at simulation runtime. The results of the simulations for a typical office building show how much and under which specific condition energy can be saved by varying the transmission heat losses through the external walls. EINLEITUNG Gebäudehüllen werden heutzutage optimiert, um die Wärmeverluste bzw. den Heizenergiebedarf zu minimieren. Gut gedämmte Hüllen haben aber den Nachteil, dass bei Gebäuden mit hohen internen Wärmelasten und mit Kühlbedarf eine passive Abfuhr der Wärme durch Transmission (wenn Aussen tiefere Temperaturen herrschen) verhindert wird. Dies hat eine Erhöhung des Kühlenergiebedarfs zur Folge. Wünschenswert in solchen Situationen wäre eine Gebäudehülle mit variabler Wärmedämmung, die im Heizfall einen möglichst tiefen U-Wert (Minimierung der Wärmeverluste) und im Kühlfall falls die Aussentemperatur tiefer als die Raumtemperatur ist einen möglichst hohen U-Wert (Maximierung der Wärmeverluste) aufweist. Im Rahmen einer Potenzialstudie wurden mittels thermischer Gebäudesimulation folgende Fragen angegangen: Ist es möglich den Kühlenergiebedarf von Gebäuden mit hohen internen Lasten durch Steuerung des U-Wertes der Aussenwände (Erhöhung der Transmissionsverluste) zu senken? Wie gross ist das Energiesparpotenzial bei den untersuchten Parameterkombinationen? Wie gross ist der Einfluss von Standort, Bauweise / Wärmespeicherfähigkeit, Sonnenschutz und internen Wärmelasten? Ist eventuell auch eine Senkung des Heizenergiebedarfs durch Erhöhung der Transmissionsgewinne möglich? Simuliert wurde ein typisches Bürogebäude unter Variation von Standort, Bauweise, Sonnenschutz, internen Wärmelasten und U-Wert (fix/steuerbar). Die Formulierung von technisch und wirtschaftlich praktikablen Lösungen für die Realisierung einer thermisch-adaptiven Gebäudehülle ist nicht Teil dieser Studie. Eine Übersicht der verschiedenen möglichen Konzepte wurde von Loonen (1) zusammengestellt. VORGEHEN Die Modellbildung und die Simulationen wurden mit dem Gebäudesimulationsprogramm IDA ICE (Expert - 9 -

2 St euer un gslogik Wan dpar amet er PI PI DWALLDY E xt W al_3 DWALLDY E xt W al_ Fifth German-Austrian IBPSA Conference edition, Version:..1) der Firma EQUA Simulation AB durchgeführt. Die Wandmodelle von IDA ICE erlauben standardmässig keine dynamische Änderung der Bauteileigenschaften während der Simulation. Die Werte der Wandparameter werden am Anfang definiert und bleiben dann konstant bis am Ende der Simulation. Dies ist bei den meisten Gebäudesimulationsprogrammen so der Fall. Das Wandmodell von IDA ICE musste daher erweitert werden, um zu jedem Rechenschritt während der Simulation eine dynamische Änderung der Bauteileigenschaften zu ermöglichen. Durch die Anpassung der Wärmeleitfähigkeit einer oder mehreren Schichten lässt sich dann eine Änderung des U-Wertes des gesamten Bauteils erreichen. Eine mit dem Wandmodell gekoppelte Steuerungslogik bestimmt das Umschalten zwischen einem niedrigen U-Wert von.1 W/(m K) und einem sehr hohen U- Wert von 3. W/(m K). Abbildung 1 zeigt einen Vergleich der Parameter, Variablen und Schnittstellen von fdwall und fdwalldyn. MODELLBILDUNG Wandmodell Das steuerbare Wandmodell fdwalldyn wurde durch Erweiterung des Finite-Differenzen-Modells fdwall entwickelt, welches in IDA-ICE im Advanced Level zugänglich ist und als Quellcode in der NMF Programmiersprache (Sahlin et al., 199) verfügbar ist. fdwalldyn ermöglicht die dynamische Änderung während der Simulation von Dicke, Wärmeleitfähigkeit, Dichte und spezifischer Wärmekapazität für jede Bauteilschicht. Das Wandmodell kann eine beliebige Anzahl Bauteilschichten berücksichtigen. Die Steuerung erfolgt über einen zusätzlichen Control-Port, der ins Wandodell implementiert wurde. Der NMF Code von fdwalldyn wurde mit dem IDA NMF Translator (Version.9 Beta) und dem GNU Fortran 77 Compiler (g77 aus MinGW 5.1.) kompiliert. Der Control-Port des Wandmodells muss mit einer Steuerung verbunden werden, welche das nötige Signal ( oder 1 ) liefert. Wenn am Control-Port der Wert vorliegt, dann werden vom Modell die Parameter mit dem Index _ verwendet. Umgekehrt, wenn am Control-Port der Wert 1 vorliegt, dann werden die Parameter mit dem Index _1 verwendet (siehe Tabelle 1). Auf diese Weise ist die Schaltung zwischen zwei Bauteilen mit unterschiedlichen Eigenschaften möglich. Tabelle 1: Wert am Control-Port von fdwalldyn und Zuordnung der verwendeten Bauteilparameter. Control- Port Schichtdicke Wärmeleitfähigkeit Dichte Spezifische Wärmekapazität L_ LAMBDA_ RHO_ CP_ 1 L_1 LAMBDA_1 RHO_1 CP_1 Abbildung 1: Vergleich der Parameter, Variablen und Schnittstellen von fdwall (links) mit denen des steuerbaren Wandmodells fdwalldyn (rechts). Integration im Zonenmodell Für die Anwendung des steuerbaren Wandmodells fdwalldyn muss IDA ICE im Advanced Level betrieben werden. fdwalldyn kann wie ein normales Wandmodell verwendet werden und andere IDA ICE Wandmodelle (wie z.b. bdfwall, fdwall oder rcwall) ersetzen, wenn eine dynamische Änderung der Bauteileigenschaften erwünscht oder nötig ist (Abbildung ). ICE-MACRO OUTPUT-FILE Steuerung ein/aus: 1=ein (dynamische Materialeigensch.) =aus (konstante Materialeigensch.) 1 AND & Abbildung : Einbindung des steuerbaren Wandmodells (zwei Aussenwände, oben rechts) in ein Zonenmodell von IDA ICE. Die Steuerung erfolgt über ein Steuerungsmakro (unten links)

3 SIMULATIONEN Gebäude Abbildung 3 zeigt das simulierte Bürogebäude, die Zoneneinteilung und die Nutzung der verschiedenen Zonen. Die Geometrie und die Zonen sind in Anlehnung an das Gebäude T3 aus Gadola et al. (1) gewählt worden. Das Gebäude weist einen quadratischen Grundriss von 1 m x 1 m auf. Die Geschosshöhe beträgt 3 m. Die Fassaden haben einen Fensteranteil von 5%, was einem Glasanteil von % entspricht. Steuerung ein Signal mit dem Wert 1 : der U- Wert wird erhöht. Wenn die Innentemperatur unter den Sollwert von 1 C für die Regelung der Heizung sinkt (Heizfall) und die Aussentemperatur über der Innentemperatur liegt, dann generiert die Steuerung ebenfalls ein Signal mit dem Wert 1 : der U-Wert wird erhöht. Wenn keiner der beiden Fälle erfüllt ist, dann generiert die Steuerung ein Signal mit dem Wert : der U-Wert wird nicht erhöht. Die Erhöhung des U-Wertes wird durch die Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit einer Bauteilschicht erreicht. EG: Eingang OG+DG: Sitzung 3 m Abbildung 3: 3D-Ansicht des simulierten Bürogebäudes (links) und Zoneneinteilung (rechts). Das Gebäude weist folgende Kennwerte auf: Aussenwände: U-Wert fix auf.1 W/(m K) oder umschaltbar zwischen.1 und 3. W/(m K), je nach Simulationsvariante. Dach: U=.1 W/(m K); Boden: U=.15 W/(m K) Fenster: U g =.5 W/(m K); U w =.7 W/(m K); g Glas =.7; g Glas+Sonnenschutz =.9 Lüftung, Personenbelegung, Beleuchtung und Betriebseinrichtungen (Geräte), sowie die Sollwerte für die Heizung und die Kühlung der Zonen wurden nach SIA Merkblatt dimensioniert (Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, ). Der aussenliegende Sonnenschutz schliesst, je nach simulierter Variante, wenn das Produkt aus Globalstrahlung und g-wert ohne Sonnenschutz, d.h. der solare Wärmegewinn auf der Innenseite der Verglasung, über 9 W/m (Wert nach Norm SIA 3/1, Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein 7) bzw. 15 W/m steigt. Steuerung des U-Wertes Die Steuerung des U-Wertes der Aussenwände erfolgt gemäss Abbildung, d.h.: Wenn die Innentemperatur über den Sollwert von C für die Regelung der Kühlung steigt (Kühlfall) und die Aussentemperatur unter der Innentemperatur liegt, dann generiert die Kühlfall: Heizfall: Ti > Ti max Ta < Ti Ti < Ti min Ta > Ti UND UND ODER U-Wert erhöhen Abbildung : U-Wert Steuerungslogik. Ti=Innentemperatur, Ta=Aussentemperatur, Ti max =Max Sollwert für die Regelung der Kühlung, Ti min =Min Sollwert für die Regelung der Heizung. Simulationsvarianten Die Simulationen wurden unter Variierung von Standort, Bauweise / Wärmespeicherfähigkeit, Sonnenschutz, internen Wärmelasten und U-Wert durchgeführt (Abbildung 5). Aus der Parametervariation ergeben sich im Total 1 berechnete Varianten. Die drei gewählten Standorte sind repräsentativ für die Klimaregionen Nordöstliches Mittelland (), Alpensüdseite (), Nord- und Mittelbünden (). Für das Aussenklima wurden DRY (Design Reference Year) Klimadatensätze nach SIA Merkblatt eingesetzt (Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, 1). Standort (SIA ) Bauweise Massivbau Leichtbau Sonnenschutz zu ab (Innenseite) W/m 9* 15 Interne Wärmelasten W/m 1** U-Wert W/(m K) Fix.1 Steuerbar.1 3. Abbildung 5: Schematische Darstellung der variierten Parameter. *Wert nach SIA 3/1; **Wert nach SIA (Grossraumbüro)

4 RESULTATE Verhalten der steuerbaren Aussenwand Abbildung zeigt die Temperaturverläufe und das Signal für die Steuerung des U-Wertes der Aussenwand für die Variante Massivbau beim Standort Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Ta Ti Ti_max Ti_min U-Wert erhöhen Abbildung : Temperaturverläufe beim Standort (Massivbau) und Verhalten der steuerbaren Aussenwand bei 1 W/m internen Wärmelasten (oben) bzw. 1 W/m (unten). Bei internen Wärmelasten von 1 W/m (Standardwert für Grossraumbüros gemäss SIA ) ist eine Erhöhung des U-Wertes für die Wärmeabfuhr durch Transmission nur während der Sommermonaten notwendig. Bei internen Wärmelasten von 1 W/m findet die Erhöhung des U-Wertes über das ganze Jahr statt. Einfluss auf die Kühl- und Heizenergie Abbildung 7 zeigt die Änderung des Kühl- und Heizenergiebedarfs bei steuerbarem U-Wert im Vergleich zum fixen U-Wert (Sonnenschutz zu ab 9 W/m ; mit Sonnenschutz ab 15 W/m erhöht sich das Einsparpotenzial um ca. 1-3 kwh/m ). Ausführliche Resultate für den Kühl- und Heizenergiebedarf sind im Anhang zu finden (Abbildungen und 9). Änderung Kühl- und 1.. Massivbau - Sonnenschutz ab 9 W/m -1. (Kühlung) -. (Kühlung) (Kühlung) -3. (Heizung) -. (Heizung) (Heizung) (Kühlung) (Kühlung) (Kühlung) (Heizung) (Heizung) (Heizung) Änderung Kühl- und 1.. Leichtbau - Sonnenschutz ab 9 W/m -1. (Kühlung) -. (Kühlung) (Kühlung) -3. (Heizung) -. (Heizung) (Heizung) (Kühlung) (Kühlung) (Kühlung) (Heizung) (Heizung) (Heizung) Abbildung 7: Änderung des Kühl- und Heizenergiebedarfs (Stufe Nutzenergie) bei steuerbarem U-Wert im Vergleich zum fixen U-Wert, in Abhängigkeit von internen Wärmelasten und Bauweise. Sonnenschutz zu ab 9 W/m. Negative Werte = Reduktion des Energiebedarfs; Positive Werte = Erhöhung des Energiebedarfs. Die Reduktion des Kühlenergiebedarfs, welche dank der Steuerung der Transmissionsverluste durch die Aussenwände erzielt werden kann, steigt erwartungsgemäss mit den internen Wärmelasten. Folgende Einsparpotenziale können bei der Kühlenergie erkannt werden: Massivbauten (hohe Wärmespeicherfähigkeit): ab ca. 3 W/m internen Wärmelasten (ca. - kwh/m bei 5 W/m internen Wärmelasten). Leichtbauten (geringe Wärmespeicherfähigkeit): ab ca. 5 W/m internen Wärmelasten (ca. -3 kwh/m bei 5 W/m internen Wärmelasten). Bei Massivbauten allgemein grösser als bei Leichtbauten

5 Bei internen Wärmelasten ab 1 W/m und kaltem Aussenklima () grösser als bei warmem Aussenklima (). Bei der Heizenergie ist bei den untersuchten Varianten keine Reduktion feststellbar. SCHLUSSFOLGERUNGEN Im Rahmen dieser Studie konnte aufgezeigt werden, dass die Simulation von thermisch-adaptiven Gebäudehüllen in IDA ICE realisierbar ist. Mit dem entwickelten steuerbaren Wandmodell fdwalldyn ist die dynamische Änderung von Dicke, Wärmeleitfähigkeit, Dichte und spezifischer Wärmekapazität für jede Bauteilschicht zu jedem Rechenschritt während der Simulation möglich. Das Wandmodell kann eine beliebige Anzahl Bauteilschichten berücksichtigen. Durch die Anwendung des steuerbaren Wandmodells für die Simulation eines typischen Bürobaus und durch Parametervariation konnten die Einsparpotenziale bei der Kühlenergie, welche durch Steuerung der Transmissionsverluste erzielt werden können, erkannt und quantifiziert werden. Einsparungen bei der Kühlenergie sind möglich bei: Massivbauten (hohe Wärmespeicherfähigkeit) ab ca. 3 W/m internen Wärmelasten (ca. - kwh/m bei 5 W/m internen Wärmelasten) Leichtbauten (geringe Wärmespeicherfähigkeit) ab ca. 5 W/m internen Wärmelasten (ca. -3 kwh/m bei 5 W/m internen Wärmelasten) Bezüglich Heizenergie wurde bei den untersuchten Varianten kein Einsparpotenzial festgestellt. AUSBLICK Gebäude lassen sich je nach Typologie, Nutzung und geographische Lage wirkungsvoll mittels passiver oder aktiver Lüftung kühlen, z.b. während den Nachtstunden (Artmann et al. 7, ). Beim heutigen Stand der Technik kann eine Lüftungskühlung leichter realisiert werden als eine Transmissionskühlung. Zukünftig könnte jedoch die gezielte Steuerung der Transmissionsverluste mittels Variation des U-Werts ebenfalls zur Wahl stehen. Erste Hinweise deuten darauf hin, dass diese Option, zumindest aus Sicht der resultierenden Kühlwirkung, auch in Kombination mit einer Lüftungskühlung von Vorteil sein könnte. Weitere systematische Untersuchungen sind allenfalls notwendig, um abzuklären für welche Gebäudetypen und unter welchen Bedingungen die eine oder die andere Technik vorteilhaft sein könnte, bzw. ob eher die Kombination beider Methoden einen Nutzen bringen würde. DANKSAGUNG Die Autoren danken der Hochschule Luzern Technik & Architektur für die finanzielle Unterstützung des Projektes. LITERATUR Artmann, N., Manz, H., Heiselberg, P. 7. Climatic potential for passive cooling of buildings by night-time ventilation in Europe. Applied Energy, Artmann, N., Manz, H., Heiselberg, P.. Parameter study on performance of building cooling by night-time ventilation. Renewable Energy 33, Gadola, R., Menti, U.-P., Plüss, I., Klauz, S., Ménard, M. 1. Gesamtenergieeffizienz von Büro-Bauten. Optimierung des Heizwärmebedarfs vs. Optimierung der Gesamtenergieeffizienz. Bundesamt für Energie BFE. Loonen, R.C.G.M. 1. Overview of 1 climate adaptive building shells. Beilage zu MSc Thesis. TU Eindhoven. Sahlin, P., Bring, A., Sowell, E.F The Neutral Model Format for building simulation, Version 3.. Report, Dept. of Building Sciences, KTH, Stockholm. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein. SIA Merkblatt. Standard- Nutzungsbedingungen für die Energie- und Gebäudetechnik. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein 7. SIA 3/1. Lüftungs- und Klimaanlagen - Allgemeine Grundlagen und Anforderungen. Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein 1. SIA Merkblatt. Klimadaten für Bauphysik, Energie- und Gebäudetechnik

6 ANHANG Kühlenergie Massivbau - Sonnenschutz ab 9 W/m Massiv - Sonnensch. ab 9 W/m Massivbau - Sonnenschutz ab 15 W/m Massiv - Sonnensch. ab 15 W/m Leichtbau - Sonnenschutz ab 9 W/m Leicht - Sonnensch. ab 9 W/m Leichtbau - Sonnenschutz ab 15 W/m Leicht - Sonnensch. ab 15 W/m Abbildung : Kühlenergiebedarf (Stufe Nutzenergie) in Abhängigkeit von internen Wärmelasten, Bauweise und Sonnenschutz. Balken vor hellblauem Hintergrund: Kühlenergiebedarf bei Aussenwänden mit steuerbarem U- Wert. Links: interne Wärmelasten von bis 5 W/m. Rechts: interne Wärmelasten von 1 bis 5 W/m

7 Heizenergie Massivbau - Sonnenschutz ab 9 W/m Massiv - Sonnensch. ab 9 W/m Massivbau - Sonnenschutz ab 15 W/m Massiv - Sonnensch. ab 15 W/m Leichtbau - Sonnenschutz ab 9 W/m Leicht - Sonnensch. ab 9 W/m Leichtbau - Sonnenschutz ab 15 W/m Leicht - Sonnensch. ab 15 W/m Abbildung 9: Heizenergiebedarf (Stufe Nutzenergie) in Abhängigkeit von internen Wärmelasten, Bauweise und Sonnenschutz. Balken vor hellblauem Hintergrund: Heizenergiebedarf bei Aussenwänden mit steuerbarem U- Wert. Links: interne Wärmelasten von bis 5 W/m. Rechts: interne Wärmelasten von 1 bis 5 W/m