Energieströme durch Verglasungen und verglaste Fassaden

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1 Energieströme durch Verglasungen und verglaste Fassaden Heinrich Manz Hochschule Luzern Technik & Architektur, Horw Hochschule Luzern Technik & Architektur Prof. Dr. H. Manz 1/30

2 Traditionelle Architektur China China Afrika Spanien Pakistan Afrika Kanada Afrika Marokko Japan [Rudofsky, Architecture without architects, 1964] Hochschule Luzern Technik & Architektur Prof. Dr. H. Manz 2/30

3 Traditionelle Architektur Hochschule Luzern Technik & Architektur Prof. Dr. H. Manz 3/30

4 Traditionelle Architektur Hochschule Luzern Technik & Architektur Prof. Dr. H. Manz 4/30

5 Entwicklung einer Glasarchitektur Sainte-Chapelle Palastkapelle des Königs 13. Jahrhundert, Paris Hochschule Luzern Technik & Architektur Prof. Dr. H. Manz 5/30

6 Entwicklung einer Glasarchitektur Joseph Paxton Kristallpalast Weltausstellung 1851, London Hochschule Luzern Technik & Architektur Prof. Dr. H. Manz 6/30

7 Entwicklung einer Glasarchitektur Pierre Chareau Maison de verre, Paris, 1928 Hochschule Luzern Technik & Architektur Prof. Dr. H. Manz 7/30

8 Entwicklung einer Glasarchitektur Hochschule Luzern Technik & Architektur Prof. Dr. H. Manz 8/30

9 Entwicklung einer Glasarchitektur Mies van der Rohe Farnsworth House, Illinois (USA), 1950 Hochschule Luzern Technik & Architektur Prof. Dr. H. Manz 9/30

10 Zeitgenössische Glasarchitektur Energieflüsse durch Verglasungen Hochschule Luzern Technik & Architektur Prof. Dr. H. Manz 10/30

11 Zeitgenössische Glasarchitektur Hochschule Luzern Technik & Architektur Prof. Dr. H. Manz 11/30

12 Floatverfahren Entwickelt durch Sir Alastair Pilkington in den 1950er Jahren Heizelemente N 2 H 2 Toprollen Lift-out-Rollen ρ Glas = 2500 kg/m 3 ρ Zinn = 7300 kg/m 3 Formgebung 1100 C Zinnbad Schutzatmosphäre N 2 /H 2 Kühlung 600 C [nach Dr. G. Falk, Vorlesung Glas-Grundlagen, Universität Saarland, 2013] [ Hochschule Luzern Technik & Architektur Prof. Dr. H. Manz 12/30

13 Klassifizierung transparenter Wärmedämmungen Verglasungen, ev. mit Folien transparent Waben- od. Kapillarstrukturen Schäume, Kammerstrukturen transluzent Mikroporöse Materialien (Aerogel) [Goetzberger & Wittwer, Sonnenenergie, 1993] Hochschule Luzern Technik & Architektur Prof. Dr. H. Manz 13/30

14 Gesamtenergiedurchlassgrad g einfallende Sonnenstrahlung α e Gesamtenergiedurchlassgrad Strahlungstransmission ρ e τ e Strahlungsreflexion g = τe + q i Wärmeabgabe q i sekundäre Wärmeabgabe Hochschule Luzern Technik & Architektur Prof. Dr. H. Manz 14/30

15 Verglasungen: Gesamtenergiedurchlassgrad g und Wärmedurchgangskoeffizient U Wärmegewinne, Tageslicht: q i Wärmeverluste: U Gesamtenergiedurchlassgrad g (-) single double triple Wärmedurchgangskoeffizient U (W/m 2 K) warm kalt Hochschule Luzern Technik & Architektur Prof. Dr. H. Manz 15/30

16 Energieströme durch Verglasungen während Heizperiode U q i warm kalt Solarer Gewinn = g I Wärmeverlust = U θ Netto-Energieverlust Verluste = Gewinne Netto-Energiegewinn Hochschule Luzern Technik & Architektur Prof. Dr. H. Manz 16/30

17 Energieströme durch Verglasungen während Heizperiode Süd West Ost Nord α = 8 α = 4 α = 2 α = 1 Zürich Dezember 3-fach Verglasung U = 0.4 W/m 2 K, g = 0.47 g/u (m 2 K/W) Gewinn Verlust θ/i (m 2 K/W) α = 1/2 α = 1/4 α = 1/8 α = 1/16 2-fach Verglasung U = 1.0 W/m 2 K, g = fach Verglasung U = 2.9 W/m 2 K, g = fach Verglasung U = 5.9 W/m 2 K, g = 0.87 [Manz & Menti, Renewable Energy 37, 2012] Hochschule Luzern Technik & Architektur Prof. Dr. H. Manz 17/30

18 Energieströme durch Verglasungen während Heizperiode Moscow, December South East West North α = 2 α = 1/2 α = 1/4 Glazing A (3-IGU) 1 Gain g/u (m 2 K/W) Loss α = 1/8 Glazing B (2-IGU) 0.4 α = 1/ α = 1/ θ/i (m 2 K/W) Glazing C (Double) Glazing D (Single) [Manz & Menti, Renewable Energy 37, 2012] Hochschule Luzern Technik & Architektur Prof. Dr. H. Manz 18/30

19 Energieströme durch Verglasungen während Heizperiode Rome Ciampino, December South West East North α = 8 α = 2 α = 1 α = 4 Glazing A (3-IGU) g/u (m 2 K/W) Loss Gain α = 1/2 Glazing B (2-IGU) α = 1/4 α = 1/8 α = 1/ θ/i (m 2 K/W) Glazing C (Double) Glazing D (Single) [Manz & Menti, Renewable Energy 37, 2012] Hochschule Luzern Technik & Architektur Prof. Dr. H. Manz 19/30

20 Methoden zur Analyse von Energieströmen in komplexen Glasfassaden Hochschule Luzern Technik & Architektur Prof. Dr. H. Manz 20/30

21 Messung des Gesamtenergiedurchlassgrades g P Solar P Solar P Glazing P P Surround P Panel Extract Air Messzone Schutzzone Guarded Zone P Cell Cell P Water Circuit P El [Manz et al, Build. & Env. 41, 2006] Hochschule Luzern Technik & Architektur Prof. Dr. H. Manz 21/30

22 Simulation von Luftströmungen in Glasdoppelfassaden Temperaturen und Geschwindigkeiten Hochschule Luzern Technik & Architektur Prof. Dr. H. Manz 22/30

23 Ziele der Simulation Prognose des thermischen Verhaltens im Sommer Optimierung des thermischen Komforts Minimierung des Energiebedarfs Simulation von GDF Hochschule Luzern Technik & Architektur Prof. Dr. H. Manz 23/30

24 Optik optisches System spektral τ e α 1 α 2 Quellterme: Kopplung Optik mit CFD Numerische Strömungsmechanik (Computational Fluid Dynamics CFD) Thermo- bzw. fluiddynamisches Feldmodell Strömung (Navier-Stokes-Gleichungen RANS) IR-Strahlungsaustausch zwischen Oberflächen (View factor method) Wärmeleitung in Festkörpern (Fouriersche DGL) Hochschule Luzern Technik & Architektur Prof. Dr. H. Manz 24/30

25 Gebäudesimulation Thermo- bzw. fluiddynamisches Netzwerk-Modell Alle relevanten Energieströme im Gebäude werden gleichzeitig simuliert (inkl. HLK) CFD / Gebäudesimulation Dach Aussen: Fassade 1 Aussen: Fassade 2 Oertlich variabler Detaillierungsgrad des Modells [nach Clarke, Building Simulation, 2001] Boden Hochschule Luzern Technik & Architektur Prof. Dr. H. Manz 25/30

26 Modellierung eines Gebäudes mit GDF - spektrale optische Eigenschaften - Geometrie - thermofluiddynam. Eigenschaften - Geometrie - Lüftungsmodus Optik Optisches Verhalten der Fassaden CFD Mikroklima in GDF Wärmequellen Stationäre R.B. Klimadaten Simulation von GDF - thermofluiddynam. Eigenschaften - Geometrie - int. Lasten - HLK - Lüftungsmodus Gebäudesimulation Therm. Verhalten des Gebäudes Therm. Komfort Energie Transiente R.B. [Manz & Frank, Ener. & Build. 37, 2005] Hochschule Luzern Technik & Architektur Prof. Dr. H. Manz 26/30

27 Simulation von Luftströmungen in Glasdoppelfassaden 830 W/m 2 Kopplung CFD mit Gebäudesimulation Stromlinien am Tag Temperaturverteilung am Tag Hochschule Luzern Technik & Architektur Prof. Dr. H. Manz 27/30

28 Passive Kühlung mit Nachtlüftung Luftvolumenstrom (m 3 /h) EG OG 2. OG Temperaturdifferenz Gebäudemasse-Aussenluft (K) Luftwechsel Kopplung CFD mit Gebäudesimulation Hochschule Luzern Technik & Architektur Prof. Dr. H. Manz 28/30

29 Resultate der Gebäudesimulation Simulation von GDF Operative Raumtemperatur ( C) Nicht akzeptabel Gut 2. 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 Operative Raumtemperatur: Summenhäufigkeit 1. Mai September Hochschule Luzern Technik & Architektur Prof. Dr. H. Manz 29/30 Komfortbereich

30 Schlussfolgerungen Moderne Gebäude werden zunehmend grossflächig verglast Grosse Glasflächen können das thermische Verhalten von Gebäuden während des ganzen Jahres wesentlich beeinflussen (Komfort & Energie) Eine sorgfältige Abklärung ist oft bereits in einem frühen Planungsstadium sinnvoll Energiegewinne und -verluste können in einfachen Fällen (z.b. Heizwärmebedarf) mit Hilfe von Grafiken diskutiert werden (Ort, Fassadenorientierung, U, g) In Glasdoppelfassaden können Strömungsmuster das Mikroklima im Zwischenraum und den Energiefluss ins Gebäude stark beeinflussen Die Modellierung erfordert u.u. Optik, CFD und Gebäudesimulation Parameterstudien können bereits in einer frühen Planungsphase helfen, ein Gebäude thermisch zu optimieren Messungen sind hilfreich, jedoch nicht immmer möglich und oft teuer Hochschule Luzern Technik & Architektur Prof. Dr. H. Manz 30/30