Kriterien des nachhaltigen Bauens zur Bewertung des thermischen Raumklimas - Weiterentwicklung des Bewertungswerkzeugs und Umsetzung in die Praxis

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1 Forschung, Entwicklung, Demonstration und Beratung auf den Gebieten der Bauphysik Zulassung neuer Baustoffe, Bauteile und Bauarten Bauaufsichtlich anerkannte Stelle für Prüfung, Überwachung und Zertifizierung Institutsleitung Univ. Prof. Dr. Ing. Gerd Hauser Univ. Prof. Dr. Ing. Klaus Sedlbauer IBP-Kurzbericht RK 023/2013/296 Kriterien des nachhaltigen Bauens zur Bewertung des thermischen Raumklimas - Weiterentwicklung des Bewertungswerkzeugs und Umsetzung in die Praxis Der Forschungsbericht wurde mit Mitteln der Forschungsinitiative Zukunft Bau des Bundesinstituts für Bau-, Stadt- und Raumforschung, Bonn, gefördert (AZ: II3-F ). Die Verantwortung für den Inhalt liegt beim Autor. Der Bericht umfasst 8 Seiten Text 2 Abbildungen Abteilungsleiter Bearbeiter Dr.-Ing. Gunnar Grün Dipl.-Ing. Sumee Park Fraunhofer-Institut für Bauphysik Nobelstraße 12 D Stuttgart Telefon +49 (0) 711/ Telefax +49 (0) 711/ Institutsteil Holzkirchen Fraunhoferstr. 10 D Valley Telefon +49 (0) 8024/643-0 Telefax +49 (0) 8024/ Projektgruppe Kassel Gottschalkstr. 28a D Kassel Telefon +49 (0) 561/ Telefax +49 (0) 561/

2 Inhalt 1 Ziel der Forschungsaufgabe 3 2 Durchführung der Forschungsaufgabe Feststellung der Komfortbereiche Operative Temperatur im Sommer Raumluftfeuchte im Winter Strahlungsasymmetrie 4 3 Zusammenfassung der Ergebnisse Zusammenfassung der wichtigsten Änderungsvorschlägen in den neuen Steckbriefen BNB Tool Thermischer Komfort Informationsbroschüre: Thermischer Komfort für die Planungspraxis 7 Kriterien des nachhaltigen Bauens zur Bewertung des 2

3 1 Ziel der Forschungsaufgabe Die vorhandenen Steckbriefe ( und 3.1.2) im Bewertungssystem Nachhaltiges Bauen für Bundesgebäude (BNB) bieten zwar die erforderlichen Kriterien für die Beurteilung des thermische Komforts im Winter und im Sommer, bei der Anwendung der Nachweisverfahren in der Praxis bestehen jedoch noch zahlreiche Unklarheiten. Dadurch ist die Qualität des Nachweismaterials in Abhängigkeit von den durchführenden Ingenieuren sehr unterschiedlich. Die zum Nachweis hinterlegten Daten besitzen zum Teil keine ausreichende Information für einen aussagekräftigen Nachweis des zu erwartenden thermischen Komforts in einem Gebäude. Das Ziel dieser Forschungsarbeit ist daher, die vorhandenen Steckbriefe Bewertungssystem Nachhaltiges Bauen für Bundesgebäude (BNB) zum thermischen Komfort im Winter und im Sommer, differenzierter und abgestimmter für die praktische Anwendung weiterzuentwickeln. Dabei wird berücksichtigt, dass diese Forschungsarbeit als Arbeitshilfe für Planung, Errichtung, Betrieb und Nutzung von Bundesgebäuden angewendet werden können soll. Daher werden die Steckbriefe in dieser Arbeit als ein Werkzeug für die Verbesserung des Raumklimas in der Praxis betrachtet. 2 Durchführung der Forschungsaufgabe 2.1 Feststellung der Komfortbereiche Eine grundsätzliche Frage für die Raumklimabewertung im BNB Steckbrief lautet, welche der Kategorien ein Bundesgebäude erzielen soll. Allein aus Sicht eines hohen Komforts ist es unumstritten, dass z.b. Kategorie I nach DIN EN besser als Kategorie II ist. Aber die Anforderungen an ein höheres Qualitätsniveau bedeuten gleichzeitig meist einen höheren Energieverbrauch (hohe Betriebskosten). Oftmals erfordert dies zudem ein mechanisches System (hohe Investitionskosten). Daher sollten sinnvolle Zielwerte (Qualitätsniveau I im Steckbrief) unter der Berücksichtigung des Energieverbrauchs, der Umsetzbarkeit in der Praxis und des thermischen Komforts festgelegt sein. Bei der Feststellung des Qualitätsniveaus oder des Zielgrenzwerts gibt es Unstimmigkeiten zwischen aktuellen Normen und Richtlinien, welche im Bericht zur Diskussion gestellt werden. 2.2 Operative Temperatur im Sommer In der Forschung ist es für den Sommerfall nach wie vor umstritten, welche operative Temperatur für ein Gebäude im Sommer noch als komfortabel zu erachten ist. Laut DIN EN sind bei einem Gebäude mit maschineller Kühlung bis zu 26 C und bei einem Gebäude ohne maschinelle Kühlung höhere Temperaturen, abhängig von der gleitenden Außentemperatur, noch zulässig (optionales Verfahren in DIN EN 15251, so genanntes Adaptives Modell ). Dagegen unterscheidet die Klimarichtlinie des BMVBS die Anwendung der beiden Verfahrend je nachdem, ob der Nutzer Einfluss auf das Raumklima hat (Typ A Adaptives Modell) oder nicht (Typ B 26 C). Der neue nationale Anhang in DIN EN hingegen verwendet für alle Gebäude einheitliche Komforttemperaturkurven abhängig von der stündlichen Außentemperatur. Kriterien des nachhaltigen Bauens zur Bewertung des 3

4 2.3 Raumluftfeuchte im Winter 2.4 Strahlungsasymmetrie Grundsätzlich formuliert die Klimarichtlinie die mildesten Anforderungen, da das Adaptive Modell für fast alle Gebäude angewendet werden kann, unabhängig von der Existenz einer maschinellen Kühlung. Das kann mit dem Wunsch des Bundes begründet werden, dass Bundesgebäude generell ohne Einsatz einer maschinellen Kühlung betrieben werden sollten und möglichst wenig Kühlenergie aufgewendet werden soll, wenn eine maschinelle Kühlung unumgänglich ist. Die unterschiedlichen Komfortbereiche, je nachdem ob die Nutzer Einfluss haben oder nicht, sind jedoch noch nicht wissenschaftlich klar belegt. Dagegen ist der Unterschied in den Komfortbereichen, je nachdem ob maschinelle Kühlung vorhanden ist oder nicht, international untersucht und anerkannt. Daher wird folgende obere Grenztemperatur unter Berücksichtigung der Energieziele des Bundes und der Komfortanforderung im neuen Steckbrief vorgeschlagen: Ohne maschinelle Kühlung Optionales Verfahren (Adaptives Modell) nach DIN EN Mit maschineller Kühlung Obere Grenztemperatur nach nationalem Anhang in DIN EN 15251, so dass eine Raumtemperatur bei einer warmen Außentemperatur bis 28 C zugelassen wird, was dem primären Ziel einer Energieeinsparung zugutekommt. Neben der Bewertung der operativen Temperatur im Sommer ist die Anforderung an die Raumluftfeuchte wissenschaftlich noch unstimmig. Nach DIN EN ist nur in besonderen Gebäuden, wie Museen oder Produktionsgebäuden, eine Beund Entfeuchtung erforderlich. Gleichzeitig fordert die selbe Norm einen Luftvolumenstrom, mit dem in einem Bürogebäude in Deutschland ohne zusätzliche Befeuchtung im Winter eine niedrige Raumluftfeuchte nicht vermeiden werden kann. Dies verursacht häufig Beschwerden über trockene Schleimhäute oder gereizte Augen in Bürogebäuden. Der bisherige Steckbrief bewertet die Raumluftfeuchte nach DIN EN nur in Gebäuden mit Be und Entfeuchtung, die häufigsten Beschwerden wegen Trockenheit erfolgen in der Praxis allerdings in Gebäuden mit mechanischer Lüftungsanlage ohne Befeuchtung, für welche in DIN EN keine klaren Grenzwerte definiert wurden. Während in einem Gebäude mit Fensterlüftung im Winter selten die Fenster geöffnet werden und es dadurch zu relativ höheren Luftfeuchten kommt, resultiert eine hohe Luftwechselzahl bei mechanischer Lüftung oft in zu trockener Luft. Daher sollte die untere Grenze (25%) für alle Gebäude mit mechanischer Lüftung bewertet werden. Nach DIN EN ISO 7730 sollte der von Strahlungstemperaturasymmetrie verursachte vorhergesagte Prozentsatz an Unzufriedenen (PD) für Kategorie A und B nicht über 5 % liegen. Der PD wird anhand der Flächenstrahlungstemperaturen der gegenüberliegenden Halbräume (z.b. links zu rechts) berechnet. VDI 3804 bietet für die Praxis Anhaltswerte für die minimale und maximale Oberflächentemperatur, da es kaum Werkzeuge für die Berechnung der Flächenstrahlungstemperatur gibt. Kriterien des nachhaltigen Bauens zur Bewertung des 4

5 Diese Anhaltswerte wurden auch im bisherigen Steckbrief übernommen. Da zunehmend Strahlungsheizungen oder kühlungen in der Praxis für die Raumklimatisierung eingesetzt werden, wird eine genauere Analyse der Strahlungstemperaturasymmetrie erforderlich. Dazu wurde in diesem Projekt ein Berechnungswerkzeug nach DIN EN ISO 7726 entwickelt und für die quantitative Bewertung in den neuen Steckbrief miteinbezogen. 3 Zusammenfassung der Ergebnisse 3.1 Zusammenfassung der wichtigsten Änderungsvorschlägen in den neuen Steckbriefen Allgemein - Zusammenfassung der beiden Steckbriefe in einer Dokumentation - Von diskreter zu interpolierter Punktvergabe - Vorschlag für die Zertifizierungsdokumentation als Anhang Operative Temperatur - Keine diskreten Qualitätsniveaus nach Kategorien (I, II, III oder IV) der DIN EN Bewertung nach Gradstunden außerhalb zulässiger Temperatur Unter (im Winter) und Obergrenzen (im Sommer). - Obergrenze für Temperatur im Sommer: für Räume mit maschineller Kühlung nach oberer Grenztemperatur entsprechend nationalem Anhang der DIN EN Obergrenze für Temperatur im Sommer: für Räume ohne maschinelle Kühlung nach optionalem Verfahren (Adaptives Modell). - Festlegung der zu untersuchenden Position für die Berechnung der mittleren Strahlungstemperatur (1m Abstand von und in Mitte der Fassade). - Lastberechnungsverfahren ist für alle Gebäude mit Sonnenschutz zulässig. - Zusätzliche Anforderung an die Berechnung der mittleren Strahlungstemperatur für die operative Temperatur in der Raummitte oder bei Verfahren für Lastberechnung. - Zusätzliche Anforderung über die Berechnung der mittleren Strahlungstemperatur für Strahlungsheizung/ kühlung. - Dokumentation der angesetzten Randbedingungen für zonale, thermische Raumsimulation im Anhang. Zugluft - Verschärfung von 20 % DR auf 15 % DR Strahlungstemperaturasymmetrie - Keine Anhaltswerte nach VDI Berechnung des PD (Prozentsatz an Unzufriedene) gemäß DIN EN ISO 7730 und Bewertung der Strahlungstemperaturasymmetrie mit PD Kriterien des nachhaltigen Bauens zur Bewertung des 5

6 Bewertung der Raumluftfeuchte 3.2 BNB Tool Thermischer Komfort - Quantitative Bewertung bei Gebäuden mit RLT Anlagen - Einführung der zulässigen Abweichungshäufigkeit: 7 % der Nutzungszeit jeweils für Winter und Sommerperiode Die neu vorgeschlagenen Steckbriefe verlangen transparentere und mehr quantitative Bewertungen als die vorhandenen Steckbriefe. Dies bedeutet für den Planer mehr Aufwand bei der Zertifizierung. Deswegen wurde das Werkzeug BNB Tool Thermischer Komfort mit nutzerfreundlicher GUI (Graphical User Interface) entwickelt, um stationär oder anhand von Daten aus der Gebäudesimulation die erforderliche thermische Behaglichkeit im Raum oder im Gebäude schnell bewerten zu können. Die Ergebnisse können als.xml Datei inklusive aller geforderten Eingabedaten exportiert werden. Das Tool kann neben der Zertifizierung als Planungsund Entscheidungswerkzeug von beratenden Ingenieuren, Projektleitern und Bauherren verwendet werden. Bild 1: BNB Tool Thermischer Komfort. Mit dem Tool kann die Häufigkeitsverteilung der Temperatur im Winter und im Sommer, auch ohne Wochenende oder nur während der Betriebszeit, analysiert werden. Zugluftrisiko (DR), Strahlungstemperaturasymmetrie sowie mittlere Strahlungstemperatur können mit dem Tool berechnet werden. Die Raumluftfeuchte wird nach der Eingabe von Raumvolumen, Feuchteproduktion, Luftwechselrate und Feuchterückgewinnungsrate dynamisch abgeschätzt. Die Berechnung der Raumluftfeuchte im Tool basiert auf einer reinen Feuchte Massenbilanzierung, welche von einer detaillierten Feuchtesimulation mit Berücksichtigung von Feuchtepufferung abweicht. Nach vollständiger Eingabe, Berechnung und Auswertung werden im Tool die Punkte nach Steckbrief BNB /3 mittels linearer Interpolation vergeben. Die Ausgabedatei (.xml) kann in einem Webbrowser betrachtet und bei Bedarf als.pdf Datei gespeichert oder in Excel für die weitere Bearbeitung geöffnet werden. Kriterien des nachhaltigen Bauens zur Bewertung des 6

7 Bild 2: Ausgabedatei als.xml. Neben der BNB Bewertung bietet das Tool für die Praxis eine PMV Berechnung sowie eine inverse Berechnung des PMV für die Ermittlung eines unbekannten Parameters (z.b. operative Temperatur) um einen bestimmten PMV Wert zu erhalten. 3.3 Informationsbroschüre: Thermischer Komfort für die Planungspraxis Des Weiteren ist eine Broschüre Thermischer Komfort für die Planungspraxis erstellt worden, um die wichtigen Entscheidungen bezüglich thermischem Komfort im Bauprozess klar zu beschreiben und eine Vorgehensweise für die Praxis aufzuzeigen. Die Broschüre beinhaltet folgende Themen: - Thermischer Komfort im Sommer - Thermischer Komfort versus Energieeffizienz? - Lüftung: Luftqualität, Raumluftfeuchte und Zugluft - Fragestellung bei maschineller Lüftung - Fragestellung bei Fensterlüftung - Strahlungstemperatur - Kalte Fenster - Strahlungsheizung/ -kühlung - Strahlungstemperaturasymmetrie - Solare Strahlung Kriterien des nachhaltigen Bauens zur Bewertung des 7

8 Bildverzeichnis Bild 1: BNB Tool Thermischer Komfort. 6 Bild 2: Ausgabedatei als.xml. 7 Kriterien des nachhaltigen Bauens zur Bewertung des 8