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1 Bautechnologie IV Frühlingssemester 2008 Professur für Bauphysik HIL E 47.2 Doz. Dr. Heinrich Manz Nikolai Artmann, dipl. Ing. TUM Markus Ettlin, dipl. Arch. ETH Lubos Krajci, Dr. dipl. Ing. TU Katrin Leuenberger, dipl. Arch. ETH Stephan Rutz, dipl. Arch. ETH A R C H Anmeldung Übungen BTIV FS08 Übungen Frühlingssemester 2008 Name Vorname Leginummer Persönliche Angaben Bitte dieses Blatt mit Übung 01 in einer Sichtmappe am Mittwoch bis Uhr abgeben. Professur für Bauphysik ETHZ Seite 1
2 Name: Vorname: (auch auf allen Lösungsblättern angeben) Bautechnologie III Frühlingssemester2008 Professur für Bauphysik HIL E 47.2 Doz. Dr. Heinrich Manz Nikolai Artmann, dipl. Ing. TUM Markus Ettlin, dipl. Arch. ETH Lubos Krajci, Dr. dipl. Ing. TU Katrin Leuenberger, dipl. Arch. ETH Andreas Rubin, dipl. Arch. EPFL Stephan Rutz, dipl. Arch. ETH A R C H Ausgabe: Mo Übung 01 Betreuung: Mo , Heizwärmebedarf nach SIA 380/1 Abgabe: Mi , In dieser Übung soll der Heizwärmebedarf der Reiheneinfamilienhäuser am Rebgässli in Allschwil (in diesem Beispiel Haus 9 b) nach der Schweizerischen Norm SIA 380/1: Thermische Energie im Hochbau berechnet werden. Der Heizwärmebedarf Q h ist die auf die Energiebezugsfläche bezogene Wärmemenge, die pro Jahr erforderlich ist, um ein Gebäude auf einer gewünschten Temperatur zu halten. Er bestimmt sich aus den Verlusten der Transmission und der Lüftung abzüglich des genutzten Anteils der internen und solaren Wärmegewinne. Die Bilanzierung der Wärmeverluste und -gewinne erfolgt monatsweise. Aufgabe 1: Grenzwert und Zielwert für den Heizwärmebedarf a) Zeichnen Sie in den gegebenen Grundrissen und Querschnitten die Systemgrenze für die Berechnung des Heizwärmebedarfs ein. Der Patio soll zur beheizten Zone gezählt werden. Unterscheiden Sie Flächen gegen Aussenklima, gegen unbeheizte Räume und gegen beheizte Räume. (gegen aussen rot, gegen unbeheizt grün, gegen beheizt blau) b) Berechnen Sie die thermisch gewichtete Gebäudehüllfläche A th (Auszug SIA 380/1, Definitionen). Für den Reduktionsfaktor für Flächen gegen den unbeheizten Keller (teilweise über dem Erdreich) kann der Rechenwert verwendet werden. (Auszug SIA 380/1, Tabelle 5) c) Berechnen Sie die Energiebezugsfläche A E und die Gebäudehüllzahl A th /A E (Auszug SIA 380/1, Definitionen). Zeichnen Sie die Energiebezugsfläche in den Plänen ein. d) Wie gross ist der Grenzwert für den Heizwärmebedarf Q h,li bei 8,5 C Jahresmitteltemperatur? (Auszug SIA 380/1, Grenz- und Zielwerte) e) Berechnen Sie den Grenzwert Q h,li,korr für die Klimastation Basel Binningen. (Auszug SIA 380/1, Grenz- und Zielwerte; Auszug SIA 380/1, Klima) f) Wie gross ist der Zielwert für Neubauten Q h,ta? (Auszug SIA 380/1, Grenz- und Zielwerte) Gebäude Aussenabmessungen Breite m Kellertreppe Länge m Treppenauge 5.44 m 2 Höhe m Schotte 5.82 m 2 Innenwand 5.82 m 2 Patio Boden 6.43 m 2 Breite m Länge m Kellertüre 3.14 m 2 Professur für Bauphysik ETHZ Seite 1
3 Bautechnologie III Frühlingssemester 2008 Übung 01 Aufgabe 2: U-Werte a) Berechnen Sie den U-Wert der Aussenwände (Nord- und Südfassade). Die Hinterlüftung der Fassade wird durch einen reduzierten äusseren Wärmeübergangskoeffizienten berücksichtigt (h e = h i = 7.7 W/m 2 K) (BTIII S.69). Der Flächenanteil der Holzständer in der Steinwolle-Dämmung beträgt 7 %. (BTIII S.72, bzw. mit flächengewichtetem λ) Tragen Sie den U-Wert in die Tabelle zur Berechnung des Transmissionsverlustfaktors (Lösungsblatt, Aufgabe 3b) ein. Wandaufbau von innen nach aussen d (m) λ (W/mK) Gipskarton OSB Platte Isolationsschicht Holzständer, 7 % Steinwolle, 93 % DWD Holzfaserplatte Hinterlüftung Schalung Skizze: Wandaufbau Gipskarton OSB Platte Holzständer Steinwolle DWD Holzfaserplatte Hinterlüftung Schalung b) Die Fenstertüren Nr. 2, 4, 6 und 7 (Breite: 0.94 m, Höhe: 2.08 m) bestehen aus einer Wärmeschutzverglasung (U g = 0.6 W/m 2 K) in einem Holz-Alu-Rahmen (Rahmenbreite: m, U f = 1.5 W/m 2 K). Der linienbezogene Wärmedurchgangskoeffizient des Glasrandverbundes beträgt Ψ = 0.05 W/mK. Berechnen Sie den U-Wert der Fenstertüren. U w U = g A g + Uf Af A w + Ψ L U Wand U f U g U f U Wand Professur für Bauphysik ETHZ Seite 2
4 Bautechnologie III Frühlingssemester 2008 Übung 01 Aufgrund der ähnlichen Abmessungen und der gleichen Kennwerten kann für die Fenster Nr. 1 und 5 der gleiche U-Wert wie für die Fenstertüren Nr. 2, 4, 6 und 7 angenommen werden. Tragen Sie die fehlenden Fenster U-Werte in die Tabelle zur Berechnung des Transmissionsverlustfaktors (Lösungsblatt, Aufgabe 3b) ein. Aufgabe 3: Wärmeverlustfaktor Die Wärmeverluste ergeben sich aus Transmissions- und Lüftungsverlusten. a) Markieren Sie die Wärmebrücken in den Plänen. Die zu berücksichtigenden Wärmebrücken sind in der Tabelle zur Berechnung des Transmissionsverlustfaktors (Lösungsblatt, Aufgabe 3b) aufgelistet. Berechnen Sie die Längen der linienförmigen Wärmebrücken der Fenster 1 und 5, der Fenstertüren 2, 4 und 6 sowie der Türen 3 und 7 (siehe Tabelle: Fenster und verglaste Türen, bzw. Pläne: Nordund Südfassade). Beachten Sie den erhöhten Ψ-Wert für den Fensteranschlag an den Oberkanten der Fenster und Fenstertüren mit Rollo (Fenster 1 und 5, Fenstertüren 2, 4 und 6). Tragen Sie die Ergebnisse in die Tabelle zur Berechnung des Transmissionsverlustfaktors (Lösungsblatt, Aufgabe 3b) ein. b) Berechnen Sie die Transmissionsverlustfaktoren der einzelnen Elemente H T,i, sowie den Transmissionsverlustfaktor H T des gesamten Gebäudes. (Reduktionsfaktor b aus Auszug SIA 380/1, Tabelle 5) H T = H ( ) ( T i = Aj U j bj + Lk Ψk bk ) + ( Nl χl bl ) i, [W/K] j k c) Der Aussenluftvolumenstrom wird gemäss Standardnutzung angenommen. Wie gross ist der Lüftungsverlustfaktor H V? (Auszug SIA 380/1, Standardnutzungen) d) Berechnen Sie den Wärmeverlustfaktor H. H = H T + H V l Fenster und verglaste Türen Breite (m) Höhe / Länge (m) Fläche (m 2 ) U (W/m 2 K) F F (-) g (-) Oblicht Patio Oblicht Oblicht Fenster Fenstertüre Türe Fenstertüre Fenster Fenstertüre Türe Professur für Bauphysik ETHZ Seite 3
5 Bautechnologie III Frühlingssemester 2008 Übung 01 Aufgabe 4: Wärmegewinne Die Wärmegewinne ergeben sich aus internen und solaren Gewinnen. a) Berechnen Sie die täglichen internen Wärmegewinne, die sich gemäss Standardnutzung aus der Wärmeabgabe von Personen Q ip,d sowie dem Elektrizitätsbedarf Q iel,d ergeben. (Auszug SIA 380/1, Standardnutzungen) b) Berechnen Sie die für die solaren Gewinne wirksamen Flächen A s (siehe Tabelle: Fenster und verglaste Türen, Aufgabe 3). Dabei muss neben dem g-wert der Verglasung (g = 0.9 g ) und dem Abminderungsfaktor für die Fensterrahmen F F die Verschattung der Fenster berücksichtigt werden. Der Horizontwinkel α beträgt 10 für die Südfassade, 30 für die Nordfassade und 0 für das Dach (Auszug SIA 380/1, Tabelle 6). Der Winkel β des Vordachs über der Türe 3 beträgt 45 (Auszug SIA 380/1, Tabelle 7). Die Verschattung aufgrund der zurückversetzten Position der Fenster kann in diesem Beispiel vernachlässigt werden. Aufgabe 5: Jahresbilanz Die Wärmeverluste und Wärmegewinne werden monatsweise bilanziert. Der Ausnutzungsgrad für Wärmegewinne hängt dabei vom Verhältnis der Gewinne zu den Verlusten und von der thermischen Trägheit des Gebäudes ab. Tragen Sie die Resultate der folgenden Berechnungen in die vorgegebene Tabelle (Lösungsblatt, Jahresbilanz) ein. a) Bestimmen Sie die Raumtemperatur gemäss Standardnutzung (Auszug SIA 380/1). Da das Beispielgebäude keine konventionelle Heizung benötigt, kann der Regelungszuschlag zur Raumtemperatur Δθ i,g = 0 K angenommen werden. Wie gross ist die mittlere Temperaturdifferenz im Januar? b) Berechnen Sie die monatlichen Transmissions- Q T, Lüftungs- Q V und Gesamtwärmeverluste Q tot im Januar. (Auszug SIA 380/1, Jahresbilanz) c) Berechnen Sie die monatlichen internen Q i, solaren Q S, sowie die totalen Wärmegewinne Q g im Januar. (Auszug SIA 380/1, Jahresbilanz) d) Bestimmen Sie die Zeitkonstanteτ des Gebäudes (Auszug SIA 380/1, Spezielle Eingabedaten). Für die Wärmespeicherfähigkeit pro Energiebezugsfläche kann der Rechenwert verwendet werden (mittelschwere Bauweise, Auszug SIA 380/1 Tabelle 9). e) Berechnen Sie das Wärmegewinn/-verlust-Verhältnis γ und den Ausnutzungsgrad für Wärmegewinne η g im Januar (Auszug SIA 380/1, Spezielle Eingabedaten). f) Berechnen Sie die genutzten Wärmegewinne Q ug und den Deckungsgrad durch Wärmegewinne f ug im Januar. (Auszug SIA 380/1, Jahresbilanz) g) Berechnen Sie den Heizwärmebedarf Q h im Januar und für das ganze Jahr. (Auszug SIA 380/1, Jahresbilanz) Aufgabe 6: Vergleich mit Grenzwert und Zielwert Vergleichen Sie den berechneten Jahres-Heizwärmebedarf Q h mit dem korrigierten Grenzwert Q h,li,korr und dem Zielwert für Neubauten Q h,ta. Professur für Bauphysik ETHZ Seite 4
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14 Bautechnologie III Frühlingssemester2008 Professur für Bauphysik HIL E 47.2 Doz. Dr. Heinrich Manz Nikolai Artmann, dipl. Ing. TUM Markus Ettlin, dipl. Arch. ETH Lubos Krajci, Dr. dipl. Ing. TU Katrin Leuenberger, dipl. Arch. ETH Andreas Rubin, dipl. Arch. EPFL Stephan Rutz, dipl. Arch. ETH A R C H Ausgabe: Mo Übung 01: Auszug aus der Norm SIA 380/1:2007 Betreuung: Mo , Thermische Energie im Hochbau Abgabe: Mi , DEFINITIONEN Energiebezugsfläche (EBF) A E (m 2 ) Summe aller ober- und unterirdischen Geschossflächen, für deren Benutzung ein Beheizen oder Klimatisieren notwendig ist. Geschossflächen mit einer lichten Raumhöhe kleiner als 1,0 m zählen nicht zur Energiebezugsfläche. Gemäss SIA 416/1. Gebäudehüllfläche A th (m 2 ) Die Gebäudehüllfläche ist die Fläche der thermischen Gebäudehülle (Aussenabmessungen). Sie setzt sich zusammen aus den Flächen gegen aussen, gegen unbeheizte Räume und gegen Erdreich sowie gegen allfällige benachbarte beheizte Räume. Bei der Berechnung der thermischen Gebäudehüllfläche A th werden die Flächen gegen unbeheizt und gegen Erdreich mit ihren jeweiligen Reduktionsfaktoren multipliziert. Flächen gegen benachbarte beheizte Räume werden nicht mitgezählt. A th = Ae, j + b k k + u, A b u, G, l AG, l A th A e,j j k thermisch gewichtete Gebäudehüllfläche Flächen gegen Aussenklima l b uk Reduktionsfaktoren für Wärmeverluste gegen unbeheizte Räume (Tabelle 5) A uk Flächen gegen unbeheizte Räume b Gl Reduktionsfaktoren für Wärmeverluste gegen Erdreich (Tabelle 5) A Gl Flächen gegen Erdreich Gebäudehüllzahl A th /A E (-) Verhältnis der thermischen Gebäudehüllfläche A th zur Energiebezugsfläche A E. Sie charakterisiert die Form und die Abmessung des Gebäudes. Gemäss SIA 416/1. Professur für Bauphysik ETHZ Seite 1
15 Bautechnologie III Frühlingssemester 2008 Übung 01: Auszug SIA 380/1 Länge der Berechnungsperiode t c (d) Berechnungsperiode ist der Monat. Als Eingabegrösse wird die Anzahl Tage pro Monat verwendet: t c = 28, 30 bzw. 31 d GEBÄUDEKATEGORIEN UND STANDARDNUTZUNGEN Tabelle 1 Gebäudekategorien mit Beispielen Gebäudekategorie Nutzungen (Beispiele) I Wohnen MFH Mehrfamilienhäuser, Alterssiedlungen und -wohnungen, Hotels, Mehrfamilien-Ferienhäuser und Ferienheime, Kinder- und Jugendheime, Tagesheime, Behindertenheime, Drogenstationen, Kasernen, Strafanstalten II Wohnen EFH Ein- und Zweifamilienhäuser, Ein- und Zweifamilien-Ferienhäuser, Reihen-Einfamilienhäuser III Verwaltung private und öffentliche Bürobauten, Schalterhallen, Arztpraxen, Bibliotheken, Ateliers, Ausstellungsbauten, Kulturzentren, Rechenzentren, Fernmeldegebäude, Fernsehgebäude, Filmstudios IV Schulen Gebäude für Schulen aller Stufen, Kindergärten und -horte, Schulungsräume, Ausbildungszentren, Kongressgebäude, Labors, Forschungsinstitute, Gemeinschaftsräume, Freizeitanlagen V Verkauf Verkaufsräume aller Art inkl. Einkaufszentren, Messegebäude VI Restaurants Restaurants (inkl. Küchen), Cafeterias, Kantinen, Dancings, Diskotheken VII Versammlungslokale Theater, Konzertsäle, Kinos, Kirchen, Abdankungshallen, Aulas, Sporthallen mit viel Publikum VIII Spitäler Spitäler, psychiatrische Kliniken, Krankenheime, Altersheime, Rehabilitationszentren, Behandlungsräume IX Industrie Fabrikationsgebäude, Gewerbebauten, Werkstätten, Servicestationen, Werkhöfe, Bahnhöfe, Feuerwehrgebäude X Lager Lagerhallen, Verteilzentren XI Sportbauten Turn- und Sporthallen, Gymnastikräume, Tennishallen, Kegelbahnen, Fitnesszentren, Sportgarderoben XII Hallenbäder Hallenbäder, Lehrschwimmbecken, Saunagebäude, Heilbäder Professur für Bauphysik ETHZ Seite 2
16 Bautechnologie III Frühlingssemester 2008 Übung 01: Auszug SIA 380/1 Tabelle 2 Übersicht über die Standardnutzungswerte Ziffer I II III IV V VI VII VIII IX X XI XII Wohnen MFH Wohnen EFH Verwaltung Schulen Verkauf Restaurants Versammlungslokale Spitäler Industrie Lager Sportbauten Hallenbäder Raumtemperatur θ i o C Personenfläche A P m 2 /P Wärmeabgabe pro Person Q P W/P Präsenzzeit pro Tag t P h/d Elektrizitätsbedarf Q El MJ/m Reduktionsfaktor Elektrizitätsverbrauch f El 0,7 0,7 0,9 0,9 0,8 0,7 0,8 0,7 0,9 0,9 0,9 0, Aussenluft-Volumenstrom V & /A E m 3 /h m 2 0,7 0,7 0,7 0,7 0,7 1,2 1,0 1,0 0,7 0,3 0,7 0,7 4.3 Wärmebedarf Warmwasser Q ww MJ/m Regelungszuschlag zur Raumtemperatur Δθ i,g (K) Die Berechung des Heizwärmebedarfs beruht auf der Annahme einer idealen Regelung, die in allen Räumen die Raumtemperatur auf die Soll-Temperatur regelt und rasch auf veränderte Wärmegewinne reagiert. Der Regelungszuschlag zur Raumtemperatur beschreibt den Einfluss einer nicht idealen Regelung auf den Heizwärmebedarf. Tabelle 3 Regelungszuschlag zur Raumtemperatur Δθ i,g (Rechenwerte) Art der Raumtemperaturregelung Einzelraum-Temperaturregelung und/oder Vorlauftemperatur θ h,max 30 C bei Auslegungstemperatur Referenzraum-Temperaturregelung Δθ i,g 0 K 1 K in den übrigen Fällen 2 K Es gilt der niedrigste zutreffende Zuschlag. korrigierte Raumtemperatur θ i,korr ( C) θ i,korr = θ i + Δθ i,g Professur für Bauphysik ETHZ Seite 3
17 Bautechnologie III Frühlingssemester 2008 Übung 01: Auszug SIA 380/1 Tägliche interne Wärmegewinne Q i,d (J/m 2 d) Die auf die Energiebezugsfläche bezogenen täglichen Wärmegewinne von Personen Q ip,d ergeben sich aus der Personenfläche A P, der Wärmeabgabe pro Person Q P, und der Präsenzzeit pro Tag t P (Tabelle 2). Q P Q ip,d = t P 3600 s h A P Die auf die Energiebezugsfläche bezogenen täglichen Wärmegewinne von elektrischen Geräten Q iel,d ergeben sich aus dem Elektrizitätsbedarf Q El und dem Reduktionsfaktor f El (Tabelle 2). QEl fel QiEl, d = 365 d Lüftungsverlustfaktor, H V (W/K) Der Lüftungsverlustfaktor berechnet sich aus dem Aussenluftvolumenstrom V & AE (Tabelle 2) und der Wärmespeicherfähigkeit der Luft ( ρ a c a ) (Klima, Höhenlage über Meer). V& ( ρa ca ) HV = AE A 3600 s h E KLIMA Klimadaten Basel Binningen Höhe: 316 m ü.m. Jan Feb Mär Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jahr θ e C G sh MJ/m G ss MJ/m G se MJ/m G sw MJ/m G sn MJ/m Höhenlage über Meer h (m) Beim Nachweis ist die Höhenlage der zu verwendenden Klimastation einzusetzen. Diese Angabe dient zur Berechnung der spezifischen Wärmespeicherfähigkeit der Luft nach der Formel ρ a c a = (0.14 h) in J/(m 3 K) Professur für Bauphysik ETHZ Seite 4
18 Bautechnologie III Frühlingssemester 2008 Übung 01: Auszug SIA 380/1 GRENZ- UND ZIELWERTE Grenzwert für den Heizwärmebedarf Q h,li (MJ/m 2 ) Die Grenzwerte für Neubauten ergeben sich aus der folgenden Gleichung und mit den Werten aus Tabelle 4. Q h, li = Qh, li 0 + ΔQh, li ( A A ) th E Die mit den Tabellenwerten errechneten Grenzwerte gelten für eine Jahresmitteltemperatur θ ea von 8,5 C. Sie werden um 4% pro K höhere oder tiefere Jahresmitteltemperatur reduziert bzw. erhöht. Es gilt die Jahresmitteltemperatur der für die Berechnung verwendeten Klimastation. Q h,li,korr = Q h,li ( /K (8.5 0 C θ ea )) Zielwert für den Heizenergiebedarf Q h,ta (MJ/m 2 ) Die Zielwerte Q h,ta für Neubauten betragen 60% der Grenzwerte für Neubauten. Tabelle 4 Grenzwerte für den Heizwärmebedarf pro Jahr von Neubauten (bei 8,5 C Jahresmitteltemperatur) Gebäudekategorie Grenzwerte (s. Tabelle 1) Q h,li0 MJ/m 2 ΔQ h,li MJ/m 2 I Wohnen MFH II Wohnen EFH III Verwaltung IV Schulen V Verkauf VI Restaurants VII Versammlungslokale VIII Spitäler IX Industrie X Lager XI Sportbauten XII Hallenbäder Professur für Bauphysik ETHZ Seite 5
19 Bautechnologie III Frühlingssemester 2008 Übung 01: Auszug SIA 380/1 BAUTEILEIGENSCHAFTEN Reduktionsfaktor für Wärmeverluste von Decke, Wand bzw. Boden gegen unbeheizte Räume: b ur, b uw, b uf (-) Der Reduktionsfaktor b ist gleich dem Verhältnis der Temperaturdifferenz zwischen Innenraum und unbeheiztem Raum zur Temperaturdifferenz zwischen Innenraum und Aussenklima. Tabelle 5 Reduktionsfaktoren für Wärmeverluste gegen unbeheizte Räume (Rechenwerte) unbeheizter Raum b ur, b uw, b uf Estrichraum, Schrägdach ungedämmt 0,9 Estrichraum, Schrägdach gedämmt: U e < 0,4 W/(m 2 K) 0,7 Kellerraum ganz im Erdreich 0,7 Kellerraum teilweise oder ganz über dem Erdreich 0,8 angebauter Raum 0,8 Glasvorbau 0,9 Die Reduktionsfaktoren werden auch auf Wärmebrücken gegen unbeheizte Räume angewendet. Gesamtenergiedurchlassgrad g (-) Die Norm SN EN 410 gibt eine Methode zur Berechnung des Gesamtenergiedurchlassgrads g für senkrecht auftreffendes Licht. Die Produktwerte beziehen sich ebenfalls auf senkrecht einfallendes Licht. Um den durchschnittlichen Einfallswinkel und den durchschnittlichen Grad der Verschmutzung zu berücksichtigen, wird der nach Norm SN EN 410 berechnete Wert bzw. der Produktwert für alle Orientierungen um 10% vermindert (g = 0,9 g ). Abminderungsfaktor für Fensterrahmen F F (-) Der Abminderungsfaktor für Fensterrahmen ergibt sich aus dem Verhältnis der durchsichtigen Fläche zur Fensterfläche A w. Sofern kein anderer Wert nachgewiesen ist, ist der Rechenwert 0,7 zu verwenden. Verschattungsfaktor F S (-) Der Verschattungsfaktor berücksichtigt die Minderung der Sonneneinstrahlung durch die Topographie, durch andere Gebäude und durch feste bauliche Elemente des Gebäudes selbst (inkl. Position des Fensters in Bezug auf die Fassade). Der Verschattungsfaktor F S setzt sich aus drei Verschattungsfaktoren zusammen: F S F S1 F S2 F S3 = F F F S1 S2 S3 Verschattungsfaktor Horizont (Topographie und andere Gebäude) Verschattungsfaktor Überhang Verschattungsfaktor Seitenblende Professur für Bauphysik ETHZ Seite 6
20 Bautechnologie III Frühlingssemester 2008 Übung 01: Auszug SIA 380/1 Verschattungsfaktor Horizont F S1 (-) Der Verschattungsfaktor Horizont kann fassadenweise bestimmt werden. Der Horizontwinkel wird bezüglich der Fassadenmitte bestimmt. Es wird die im Zeitpunkt der Berechnung effektiv vorhandene Bauweise und bei aus mehreren Gebäuden bestehenden Projekten die Beschattung durch andere Gebäude des Projekts berücksichtigt. Tabelle 6 Verschattungsfaktor Horizont F S1 (Rechenwerte) Orientierung der Fassade Horizontwinkel α Süd Ost/West Nord 0 o 1,00 1,00 1,00 10 o 0,96 0,94 1,00 20 o 0,82 0,81 0,97 30 o 0,59 0,68 0,94 40 o 0,45 0,60 0,90 Verschattungsfaktor Überhang F S2 (-) Der Verschattungsfaktor Überhang muss fensterweise bestimmt werden. Der Winkel wird bezüglich der Fenstermitte bestimmt. Tabelle 7 Verschattungsfaktor Überhang F S2 (Rechenwerte) Orientierung des Fensters Winkel β des Überhangs Süd Ost/West Nord 0 o 1,00 1,00 1,00 β 15 o 0,95 0,95 0,96 30 o 0,91 0,89 0,91 45 o 0,75 0,77 0,80 60 o 0,52 0,59 0,66 Verschattungsfaktor Seitenblende F S3 (-) Der Verschattungsfaktor Seitenblende muss fensterweise bestimmt werden. Der Winkel wird bezüglich der Fenstermitte bestimmt. Der Rechenwert gilt für eine einseitige Blende. Bei nach Ost oder West orientierten Fenstern gilt er für auf der Südseite des Fensters liegende Seitenblenden; für auf der Nordseite liegende Seitenblenden gilt der Faktor 1.0. Für Südfenster mit beidseitigen Seitenblenden müssen die beiden Rechenwerte miteinander multipliziert werden. Professur für Bauphysik ETHZ Seite 7
21 Bautechnologie III Frühlingssemester 2008 Übung 01: Auszug SIA 380/1 Tabelle 8 Verschattungsfaktor Seitenblende F S3 (Rechenwerte) Orientierung des Fensters Winkel γ der Seitenblende Süd Ost/West Nord 0 o 1,00 1,00 1,00 15 o 0,97 0,96 1,00 30 o 0,94 0,92 1,00 γ 45 o 0,84 0,84 1,00 60 o 0,72 0,75 1,00 Verschattungsfaktor für Fenster in horizontalen Flächen Für Fenster in horizontalen Flächen wird nur der Verschattungsfaktor Horizont F S1 angewendet. Der Horizontwinkel wird für alle vier Himmelsrichtungen bzgl. der Fenstermitte bestimmt, wobei die Beschattung durch das Gebäude selbst mitberücksichtigt wird. Der Verschattungsfaktor F S ergibt sich dann aus der Multiplikation der Werte für die vier Himmelsrichtungen. SPEZIELLE EINGABEDATEN Wärmespeicherfähigkeit pro Energiebezugsfläche C/A E (MJ/m 2 K) Massgebend ist die effektive Wärmespeicherfähigkeit gemäss SN EN ISO Ziffer ohne Berücksichtigung des Wärmeübergangswiderstandes R Si für Wärmeschwankungen mit einer Periode von 24 h. Die Wärmespeicherfähigkeit wird auf die Energiebezugsfläche bezogen, damit einfache Rechenwerte angegeben werden können. Tabelle 9 Wärmespeicherfähigkeit pro Energiebezugsfläche C/A E : in MJ/(m 2 K) (Rechenwerte) Bauweise Beispiele C/A E schwer mittel mindestens zwei der drei thermisch aktiven Elemente (Decke, Boden, alle Wände) massiv und ohne Abdeckung mindestens eines der drei thermisch aktiven Elemente (Decke, Boden oder alle Wände) massiv und ohne Abdeckung Holzbau: Blockbauweise 0,5 0,3 leicht Holzbau: Ständerbauweise 0,1 sehr leicht Industrie-Stahlbau 0,05 Zeitkonstante des Gebäudes τ (h) Die Zeitkonstante, welche die thermische Trägheit des beheizten Raumes charakterisiert, ist gleich der Wärmespeicherfähigkeit geteilt durch den spezifischen Wärmeverlust des Gebäudes. Professur für Bauphysik ETHZ Seite 8
22 Bautechnologie III Frühlingssemester 2008 Übung 01: Auszug SIA 380/1 τ = C H C A = H E A E s h Wärmegewinn/-verlust-Verhältnis γ (-) Verhältnis der Wärmegewinne zur Summe der Transmissions- und Lüftungswärmeverluste pro Berechnungsperiode (Monat). γ = Q Q g tot Ausnutzungsgrad für Wärmegewinne η g (-) Der Ausnutzungsgrad für Wärmegewinne ist abhängig vom Verhältnis der Gewinne zu den Verlusten und von der thermischen Trägheit des Gebäudes. Simulationen haben ergeben, dass der Ausnutzungsgrad mit einer empirischen Formel beschrieben werden kann, welche diese Parameter enthält: η = g a ( 1 γ ) a 1 ( 1 γ + ) ( 1) wenn γ 1 η g = a a+ wenn γ = 1 γ Wärmegewinn/-verlust-Verhältnis τ Zeitkonstante des Gebäudes 0 + ( τ τ 0 ) a = a ( a 0,τ 0 aus Tabelle 10) Tabelle 10 Konstanten zur Bestimmung des Ausnutzungsgrads für Wärmegewinne a 0 τ 0 in h für rund um die Uhr benutzte Gebäude (Standardnutzungen: Wohnen MFH, Wohnen EFH, Spitäler) für nur während bestimmten Tageszeiten benutzte Gebäude (Standardnutzungen: Verwaltung, Schulen, Verkauf, Restaurants, Versammlungslokale, Industrie, Lager, Sportbauten, Hallenbäder) 1,0 15 0,8 70 JAHRESBILANZ Monatliche Wärmeverluste Monatliche Transmissionswärmeverluste Q T (MJ/m 2 ) Q H Δθ t 3600 s 10 A T c T = 6 E h 24 h d Monatliche Lüftungswärmeverluste Q V (MJ/m 2 ) Professur für Bauphysik ETHZ Seite 9
23 Bautechnologie III Frühlingssemester 2008 Übung 01: Auszug SIA 380/1 Q H Δθ t 3600 s 10 A V c V = 6 E h 24 h d Monatliche Gesamtwärmeverluste Q tot (MJ/m 2 ) Q tot = Q V + Q T Monatliche Wärmegewinne Q g (MJ/m 2 ) Personen Q ip = QiP, d t c Elektrisch Q iel = QiEl, d t c Interne Gewinne Q = Q + Q i ip iel Solare Gewinne (G s aus Klimadaten) Horizontal Süd Ost West Nord Q = G sh Q = G ss Q = G se sw sh ss se Q = G Q = G sn sw sn A A A A sh E ss E A A se E A A A A sn E sw E Solare Gewinne Wärmegewinne Total Q = Q + Q + Q + Q s g ss Q = Q + Q s i se sw sn Genutzte Wärmegewinne Q ug (MJ/m 2 ) Anteil der monatlichen Wärmegewinne, die zu einer Verminderung des Heizwärmebedarfs führen. Q = ug Q g η g η g Ausnutzungsgrad für Wärmegewinne (siehe Spezielle Eingabedaten) Deckungsgrad durch Wärmegewinne f ug (-) Verhältnis der genutzten Gewinne zur Summe der Transmissions- und Lüftungsverluste f = Q ug ug Q tot Heizwärmebedarf Q h (MJ/m 2 ) Q h = Q tot Q ug Professur für Bauphysik ETHZ Seite 10
24 Name: Vorname: (auch auf allen Lösungsblättern angeben) Bautechnologie III Frühlingssemester 2008 Professur für Bauphysik HIL E 47.2 Doz. Dr. Heinrich Manz Nikolai Artmann, dipl. Ing. TUM Markus Ettlin, dipl. Arch. ETH Lubos Krajci, Dr. dipl. Ing. TU Katrin Leuenberger, dipl. Arch. ETH Andreas Rubin, dipl. Arch. EPFL Stephan Rutz, dipl. Arch. ETH A R C H Ausgabe: Mo Lösungsblatt Übung 01 Betreuung: Mo , Heizwärmebedarf nach SIA 380/1 Abgabe: Mit , Aufgabe 1: Grenzwert und Zielwert für den Heizwärmebedarf a) Fläche gegen aussen: rot gegen unbeheizt: grün gegen beheizt: blau b) Thermisch gewichtete Gebäudehüllfläche A th A (m 2 ) b (-) A th (m 2 ) Aussenwände Dach Boden Boden Kellertreppe 6.43 Schotte Kellertreppe 5.82 Innenwand Kellertreppe 5.82 Kellertüre 3.14 Thermisch gewichtete Gebäudehüllfläche c) Energiebezugsfläche A E Gebäudehüllzahl A th /A E Professur für Bauphysik ETHZ Seite 1
25 Bautechnologie III Frühlingssemester 2008 Übung 01: Lösungsblatt d) Grenzwert für den Heizwärmebedarf Q h,li e) Grenzwert Klimastation Basel Binningen Q h,li,korr f) Zielwert für Neubauten Q h,ta Aufgabe 2: U-Werte a) U-Wert Aussenwände Professur für Bauphysik ETHZ Seite 2
26 Bautechnologie III Frühlingssemester 2008 Übung 01: Lösungsblatt b) U-Wert Fenstertüren Aufgabe 3: Wärmeverluste a) Linienförmige Wärmebrücken der Fenster Professur für Bauphysik ETHZ Seite 3
27 Bautechnologie III Frühlingssemester 2008 Übung 01: Lösungsblatt b) Transmissionsverlustfaktor H T Verglaste Elemente A (m 2 ) U (W/m 2 K) b (-) H T,i (W/K) Σ Oblicht Patio Oblicht Oblicht Fenster Fenstertüre Türe Fenstertüre Fenster Fenstertüre Türe Opake Elemente A (m 2 ) U (W/m 2 K) b (-) H T,i (W/K) Σ Dach Aussenwand Boden Boden Patio Schotte Keller Innenwand Keller Boden Treppe Kellertüre Linienförmige Wärmebrücken L (m) Ψ (W/mK) b (-) H T,i (W/K) Σ Fensteranschlag (o. Rollo) Fensteranschlag (m. Rollo) Fensteranschlag Oblicht Patio Fensteranschlag Oblichter 1, Boden/Schotte West Boden/Schotte Ost Boden/Innenwand (Bad, Küche) Punktförmige Wärmebrücken N (-) χ (W/K) b (-) H T,i (W/K) Σ Stahlstützen am Patio Transmissionsverlustfaktor H T Professur für Bauphysik ETHZ Seite 4
28 Bautechnologie III Frühlingssemester 2008 Übung 01: Lösungsblatt c) Aussenluftvolumenstrom V & AE Speicherkapazität der Luft in Binningen (316 m ü.m.) ρ c a a Lüftungsverlustfaktor H V d) Wärmeverlustfaktor H Aufgabe 4: Wärmegewinne a) Tägliche interne Wärmegewinne Tägliche Wärmegewinne von Personen Q ip,d Tägliche Wärmegewinne von elektrischen Geräten Q iel,d Professur für Bauphysik ETHZ Seite 5
29 Bautechnologie III Frühlingssemester 2008 Übung 01: Lösungsblatt b) Für solare Gewinne wirksame Flächen A s A (m 2 ) F F (-) g (-) F S1 (-) F S2 (-) F S3 (-) A s (m 2 ) Oblicht Patio Oblicht Oblicht Σ wirksame Gewinnfläche horizontal Fenster Türe Türe Σ wirksame Gewinnfläche Süd Türe Fenster Türe Türe Σ wirksame Gewinnfläche Nord Aufgabe 5: Jahresbilanz a) Korrigierte Raumtemperatur θ i,korr Mittlere Temperaturdifferenz im Januar θ i,korr - θ e,jan b) Transmissionswärmeverlust Q T, Jan Lüftungswärmeverlust Q V,Jan Gesamtwärmeverluste Q tot,jan Professur für Bauphysik ETHZ Seite 6
30 Bautechnologie III Frühlingssemester 2008 Übung 01: Lösungsblatt c) Wärmegewinne Personen Q ip,jan Elektrisch Q iel,jan Interne Gewinne Q i,jan Solar horizontal Q sh,jan Solar Süd Q ss,jan Solar Nord Q sn,jan Solare Gewinne Q s,jan Wärmegewinne total Q g,jan d) Zeitkonstante τ e) Wärmegewinn/-verlust-Verhältnis γ Jan Ausnutzungsgrad für Wärmegewinne η g,jan Professur für Bauphysik ETHZ Seite 7
31 Bautechnologie III Frühlingssemester 2008 Übung 01: Lösungsblatt f) Genutzte Wärmegewinne Q ug,jan Deckungsgrad durch Wärmegewinne f ug,jan g) Heizwärmebedarf Q h,jan Jährlicher Heizwärmebedarf Q h Aufgabe 6: Vergleich mit Grenzwert und Zielwert Professur für Bauphysik ETHZ Seite 8
32 Bautechnologie III Frühlingssemester 2008 Übung 01: Lösungsblatt Jahresbilanz Jan Feb Mar Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez Jahr Länge der Berechnungsperiode, t c d Temperaturdifferenz, θ I,korr - θ e K Transmissionswärmeverlust, Q T MJ/m Lüftungswärmeverlust, Q V MJ/m Gesamtwärmeverlust, Q tot MJ/m Wärmegewinne Personen, Q ip MJ/m Wärmegewinne Elektrisch, Q iel MJ/m Interne Wärmegewinne, Q i MJ/m Solare Gewinne Dach, Q sh MJ/m Solare Gewinne Süd, Q ss MJ/m Solare Gewinne Nord, Q sn MJ/m Solare Gewinne total, Q s MJ/m Wärmegewinne total, Q g MJ/m Gewinn-/Verlust-Verhältnis, γ Ausnutzungsgrad für Wärmegewinne, η g Genutzte Wärmegewinne, Q ug MJ/m Deckungsgrad durch Wärmegewinne, f ug Heizwärmebedarf, Q h MJ/m Professur für Bauphysik ETHZ Seite 9
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