Entwicklung einer Bewertungsmethodik für den sommerlichen Wärmeschutz auf der Basis des nach DIN V rechnerisch ermittelten Nutzkältebedarfs

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1 Bauaufsichtlich anerkannte Stelle für Prüfung, Überwachung und Zertifizierung Zulassung neuer Baustoffe, Bauteile und Bauarten Forschung, Entwicklung, Demonstration und Beratung auf den Gebieten der Bauphysik Institutsleitung Univ.-Prof. Dr.-Ing. Gerd Hauser Univ.-Prof. Dr.-Ing. Klaus Sedlbauer Kurzbericht 21 ES-343 5/21 Entwicklung einer Bewertungsmethodik für den sommerlichen Wärmeschutz auf der Basis des nach DIN V rechnerisch ermittelten Nutzkältebedarfs Die Forschungsarbeit wurde mit Mitteln des Bundesamtes für Bauwesen und Raumordnung (BBR) gefördert (Aktenzeichen Z /II ) Die Verantwortung für den Inhalt liegt beim Autor. Dipl.-Ing. Kirsten Höttges Dipl.-Ing. Christoph Kempkes Kassel, April 21 Institutsleitung Stellv. Abteilungsleitung Bearbeitung Univ.-Prof. Dr.-Ing. i.a. Dr.-Ing. Dipl.-Ing. Gerd Hauser Michael Krause Kirsten Höttges Nobelstraße 12 D-7569 Stuttgart Telefon +49 () 711/97- Telefax +49 () 711/ Institutsteil Holzkirchen Fraunhoferstr. 1 D Valley Telefon +49 () 824/643- Telefax +49 () 824/ Projektgruppe Kassel Gottschalkstr. 28a D Kassel Telefon +49 () 561/ Telefax +49 () 561/

2 Inhalt 1 Ziel der Forschungsaufgabe 3 2 Durchführung der Forschungsaufgabe 3 3 Zusammenfassung und Ergebnisse Korrelation der Nutzenergie Kälte Entwicklung einer Bewertungsmethodik Zusammenfassung 7 2

3 1 Ziel der Forschungsaufgabe Grundlage für die Planung von Gebäuden und die Beratung von Bauherren und Investoren in Bezug auf den sommerlichen Wärmeschutz ist die DIN Für den Nachweis wurde ein statisches Verfahren etabliert, bei dem raumweise ein so genannter Sonneneintragskennwert zu ermitteln ist. Die formalen, jedoch wenig transparenten Anforderungen sollen sicherstellen, dass in Gebäuden keine unzumutbar hohen Temperaturbedingungen entstehen und somit auf den Einsatz von Kühlgeräten verzichtet werden kann. Die in DIN empfohlenen genaueren ingenieurmäßigen Berechnungsverfahren unter Einsatz von thermischen Simulationsrechnungen mit reglementierten Randbedingungen sind für die Planungspraxis im Wohngebäudebereich meist zu aufwändig bzw. kostenintensiv. Ziel des Forschungsvorhabens ist daher die Entwicklung einer Bewertungsmethodik auf der Basis des nach DIN V im Zuge der Energieausweiserstellung oder Energieberatung ermittelten Nutzkältebedarfs, um die Anforderungen an den sommerlichen Wärmeschutz so auf der Basis eines maximal zulässigen Energiebedarfs für Kühlung in kwh/(m²a) formulieren zu können. 2 Durchführung der Forschungsaufgabe Die Bewertung der Berechnungsverfahren erfolgt mittels Parametervariationen für die drei verschiedenen Berechnungsansätze, d.h. gemäß DIN (Sonneneintragskennwert) DIN V (Nutzenergie Kälte) Simulationsrechnungen werden parallele Berechnungen durchgeführt - mit äquivalenten Parametern - und anschließend ausgewertet. Die Berechnungen erfolgen anhand eines Einzonenmodells, welches einen Raum im Gebäude repräsentiert. Die Geometrie dieses Einraummoduls findet Verwendung als Prüfraum gemäß DIN EN ISO 13791, DIN EN sowie pren Zur Abbildung verschiedener Szenarien im Rahmen der Parametervariationen wurde ein System entwickelt, ausgehend von der Grund-Geometrie den Prüfraum in unterschiedlichen Positionierungen im Gebäude zu modellieren. Für alle Positionierungsvarianten erfolgt eine Variation der Orientierung und des Fensterflächenanteils, d.h. der Raum wird in vier Himmelsrichtungen gedreht 3

4 und die Fenstergröße, d.h. der Fensterflächenanteil der Fassaden- sowie der Dachflächen, von m² (kein Fenster) bis zur Vollverglasung (nur Fenster) variiert. Die variierten Parameter lassen sich wie folgt zusammenfassen Gebäudegeometrie und Raumpositionierung (Zentralraum, Eckraum, Flachdach, Schrägdach, Dachneigung, Orientierung, Fensterflächenanteil, Klimadaten) Sonnenschutz (Verschattungsfaktor, Steuerung) Wärmespeicherfähigkeit (Gebäudeschwere) Nutzung (Nutzungsprofil, interne Wärmeeinträge, Beleuchtung, erhöhte Nachtlüftung) 3 Zusammenfassung und Ergebnisse 3.1 Korrelation der Nutzenergie Kälte Die Korrelation der Ergebnisse der beiden energetischen Verfahren, d.h. DIN V und Simulation, wird im Folgenden anhand der Gegenüberstellung der Ergebnisse korrespondierender Randbedingungen aufgezeigt. Es zeigt sich, dass die lineare Interpolation einen funktionalen Zusammenhang ergibt, bei dem die Ergebnisse gemäß DIN V im Durchschnitt über den Ergebnissen der korrespondierenden Simulationsrechnungen liegt. Die Steigung der Regressionsgeraden liegt dabei bei etwas über 1,1 bei einem Bestimmtheitsmaß von R² =,982. 4

5 14 DIN V 18599: Nutzenergie Kälte q_c [kwh/(m²a)] Anzahl Datenpunkte: Simulation: Nutzenergie Kälte q_c [kwh/(m²a)] Bild 1: Korrelation der Nutzenergie Kälte gemäß Simulation sowie DIN V Aufgetragen ist der Berechnungswert gemäß DIN V über dem Ergebnis der Simulation. Die im Forschungsprojekt identifizierten Korrelationen lassen zwei wesentliche Aussagen zu (im Endbericht ausführlich dargestellt, jedoch nicht im hier vorliegenden Kurzbericht): Die Bewertung des sommerlichen Wärmeverhaltens anhand von Kennwerten, die durch thermische Simulation ermittelt wurden, liefert bei Verwendung der energetischen Größe 'Nutzenergie Kälte' sowie der thermischen Größe 'Übertemperaturstunden' äquivalente Ergebnisse. Bei der mittels thermischer Simulation und des Monatsbilanzverfahrens der DIN V ermittelten energetischen Größe 'Nutzenergie Kälte' zeigt sich ein korrelierender Zusammenhang, wobei der monatsweise bestimmte Wert gegenüber der Simulation überwiegend konservativere Ergebnisse 'auf der sicheren Seite' liefert. 3.2 Entwicklung einer Bewertungsmethodik Am Beispiel der Variation des Fensterflächenanteils können die Verläufe für die Nutzkälte und die Übertemperaturstunden direkt gegenüber gestellt werden. Es zeigen sich erwartungsgemäß qualitativ äquivalente Tendenzen. 5

6 Die Darstellung beruht auf den Randbedingungen des Basisfalls, als Nutzungsprofil ist daher das Einzelbüro hinterlegt. Für dieses Nutzungsprofil gilt gemäß DIN V eine tägliche Nutzungszeit von 11 h/d bei jährlichen Nutzungstagen von 25 d/a. Damit ergeben sich Nutzungsstunden von 275 h/a. Als Bewertungskriterium für die Bewertung des sommerlichen Wärmeschutzes kann allgemein eine Begrenzung der Überschreitungsdauer der gewählten Grenztemperatur auf 1% der Aufenthaltszeit angesetzt werden und ist auch so in DIN definiert. Damit liegt der Grenzwert in den dargestellten Berechnungen bei 275 h/a. Würde der Grenzwert von 275 h/a als Behaglichkeitskriterium auf den dargestellten Verlauf der Nutzenergie Kälte übertragen, so ergibt sich bei der Auswertung verschiedener Berechungen ein äquivalenter energetischer Grenzwert von im Mittel ca. 15 kwh/(m²a), der eine vergleichbare Bewertung der dargestellten Varianten erlaubt. In der nachfolgenden Abbildung ist beispielhaft eine Berechnungsvariante gegenübergestellt. Nutzenergie Kälte q_c [kwh/(m²a)] Simulation,2,4,6,8 1 Faktor Sonnenschutz F_C [-] Übertemperaturstunden t_26 [h/a] Simulation,2,4,6,8 1 Faktor Sonnenschutz F_C [-] f_w=1, f_w=,7 f_w=,5 f_w=,3 Bild 2: Vergleich der Bewertungsgrößen: Fensterflächenanteil. Links: Simulation Nutzenergie Kälte, rechts: Simulation Übertemperaturstunden. Eine Gegenüberstellung der beiden bisher zur Anwendung kommenden Verfahren zur Bewertung des sommerlichen Wärmeschutzes sowie die Darstellung der jeweiligen Anforderungsgröße (Grenzwert) ist in der nachfolgenden Abbildung wiedergegeben. Erneut dargestellt ist die Variation des Fensterflächenanteils. Bei den Übertemperaturstunden rechts ist jedoch der Grenzwert von 275 h/a ergänzt. Das Diagramm links gibt die Ergebnisse der Berechnung gemäß DIN wieder, d.h. die Über- bzw. Unterschreitung des zulässigen Sonneneintragskennwerts. Generell zeigen sich hier zwar ähnlich Verläufe, die Aussagen für die einzelnen Varianten unterscheiden sich jedoch. Liegen die Werte gemäß DIN für Vollverglasung unter einem Faktor Sonnenschutz von ca.,3 im zulässigen Bereich, so gilt dies nicht für die Ergebnisse der Simulation. Dort liegen die Werte für f w = 1 durchweg über dem zulässigen Grenzwert. Bei kleinen Fensterflächenanteilen von 3% und hohen F C -Werten nähert sich der vorhandene Sonneneintragskennwert dem zulässigen Wert an und überschreitet ihn sogar, bei 6

7 der Simulation ergeben sich in allen Fällen Übertemperaturstunden, die kaum die Hälfte des Grenzwertes übersteigen. Erfahrungsgemäß machen dabei die Ergebnisse der Simulation mehr Sinn. Unter-/Überschreitung S_zul [-],25,2,15,1,5 -,5 -,1 DIN 418-2,2,4,6,8 1 Faktor Sonnenschutz F_C [-] Übertemperaturstunden t_26 [h/a] Simulation,2,4,6,8 1 Faktor Sonnenschutz F_C [-] f_w=1, f_w=,7 f_w=,5 f_w=,3 275 h/a Bild 3: Vergleich der Bewertungsgrößen: Fensterflächenanteil. Links: Sonneneintragskennwert gem. DIN 418-2, rechts: Simulation Übertemperaturstunden. 3.3 Zusammenfassung Die Parameterstudien sowie die Gegenüberstellung der Verfahren der DIN V zu den Simulationsmodellen zeigen, dass bei den Randbedingungen sowie bei den Verfahrensansätzen der DIN V in einigen Punkten Überarbeitungsbedarf besteht und ggf. eine Weiterentwicklung notwendig erscheint. Dies betrifft die anzusetzenden Randbedingungen bei Wohnnutzung allgemein (Kühlfall), v.a. aber auch die Bewertung der variablen Sonnenschutzsteuerung. Weiterhin sollte im Rahmen der Normung ein Verfahren entwickelt werden, welches den Effekt der erhöhten Nachtlüftung energetisch abbildet. Es konnte aufgezeigt werden, dass die Ergebnisse des Verfahrens der DIN auf Grundlage der Sonneneintragskennwerte und die daraus abgeleiteten Aussagen zum sommerlichen Wärmeverhalten nicht immer die tatsächlichen Gegebenheiten widerspiegeln. Dieser Umstand ist bekannt und für ein vereinfachtes Verfahren in Grenzen tolerabel. Dennoch ist die Notwendigkeit einer genaueren Berechnung gegeben, insbesondere vor dem Hintergrund, dass die Ergebnisse nicht auf der sicheren Seite liegen. Die bisher zum Einsatz kommenden Simulationsrechnungen liefern diese genaueren Ergebnisse, jedoch bei vergleichsweise hohem Aufwand für die Modellierung und Berechnung. Die Bestimmung der Nutzenergie für Kälte gemäß DIN V stellt ein Instrument dar, welches bei überschaubarerem Aufwand für Modellierung und Eingabe äquivalente Ergebnisse bereitstellt. Darüber hinaus ist das Verfahren etabliert und bekannt bei der Nachweisführung des Heizfalls - die Datenaufnahme ist quasi äquivalent - und bietet mit der Nutzenergie Kälte 7

8 eine energetische Größe zur Bewertung an, welche transparentere Aussagen zulässt, als die abstrakte Größe der Sonneneintragskennwerte. 8