Wärmequellen. Modul 2.4 Baukonstruktion Teilmodul Klimadesign Sommersemester 2011

Transkript

1 V 5 Wärmequellen Seite: 1

2 Inhaltsverzeichnis Grundlagen Seite 03 Wärmeverluste Seite Solare Gewinne Seite Wärmegewinne durch Nutzung Seite Heizwärmebedarf Seite Seite: 2

3 Grundlagen Begriffe Folgende Maszregeln sind bei der Bewertung von Fenstern zu Berücksichtigen: - Die Größe des Fensters ist immer die Rohbauöffnung, also nicht die Glasfläche, die ja für den Energiedurchgang von Bedeutung ist. - der Rahmenanteil wird durch einen Reduktionsfaktor berücksichtigt (in der Regel 0,7) - Die Eigenverschattung des Fensters (Laibung wird auch durch einen Reduktionsfaktor berücksichtigt (in der Regel 0,9) - Die Verschmutzung wird durch einen Reduktionsfaktor von 0,9 berücksichtigt. Fassadenfläche Wand- und Fensterfläche Fensterfläche (Kürzel W = window) =Fläche des Fensters inklusive Rahmen und Glas (Rohbaumasz) Fensterflächenanteil = Verhältnis Fensterfläche (Rohbaumasze) zu Fassadenfläche Rahmenfläche (Kürzel f = frame) = Fensterfläche minus Glasfläche Glasfläche (Kürzel g = glas) = Fensterfläche minus Rahmenfläche Rahmenanteil = Prozentualer Anteil an Fensterfläche Anschlüsse = Wärmebrücken durch Randverbund Seite: 3

4 Wärmeverluste Berechnung Die Wärmeverluste für ein Fenster werden nach DIN EN ISO durch drei Werte beschrieben: - Der U- Wert der verglasten Fläche wird als produktspezifische Kennzahl vom Glashersteller ermittelt und kann dort abgelesen werden (Ug) - Der U-Wert des Rahmens hängt vom Material und der Beschaffenheit des Rahmens ab. Holzrahmen haben je nach Dicke und Holzart U-Werte von 1,4 1,7 W/m2K. Alurahmen und Kunststoffrahmen liegen in ähnlichen Bereichen Thermisch verbesserte Rahmen können U-Werte bis 0,9 W/m2K erreichen. Interessante Holzrahmen bietet die Firma Holz-Schiller5 an ( - Berücksichtigt wird auch der Randverbund zwischen Glas und Rahmen als typische Schwachstelle im Fenster. Der sogenannte Psi-Wert liegt je nach Ausbildung Materila - des Randverbundes bei 0,08 0,04 W/mK. Berechnung: Seite: 4

5 Übung: Ein Fenster aus Aluminium hat nach Herstellerangaben einen U f -Wert von 1,74 W/m 2 K, es ist mit einem Dreifachglas verglast, das einen U g -Wert von 0,7 W/m 2 K hat. Das Glas hat einen thermisch verbesserten Randverbund (Abstandshalter aus Kunststoff) und eine glasteilende Quersprosse. Der Rahmen und die Sprosse haben eine Breite von 10 cm, der Fensterflügel hat die gleiche Rahmenbreite. Die Größe des Fensters (Rohbauöffnung) beträgt 1,00 m x 2,20 m. Bestimmen Sie den Rechenwert U w,bw Seite: 5

6 Solare Gewinne Klimadaten Seite: 6

7 Kennwerte Die Bedeutung von verglasten Flächen liegt primär im nicht messbaren Bereich der Aufenthalts- oder auch Raumqualität. Die Lichtausbeute von Verglasungen wird durch den T-Wert beschrieben. Energetisch gesehen verhält sich der Baustoff Glas ambivalent. Sonnenenergie gelangt ausschließlich über verglaste Flächen in den Raum. Physikalisch betrachtet gelangt die kurzwellige Strahlung durch das Glas in den Raum, erwärmt dort Masse, wird zur langwelligen Strahlung die dann wiederum den Raum erwärmt. Durch die Glasbeschichtung kann die Durchlässigkeit von Fenstern hinsichtlich langwelliger Strahlung (U-Wert) und kurzwelliger Strahlung (g-wert) optimiert werden. Der Wärmeverlust charakterisiert durch den U-Wert - bei Verglasungen ist im Vergleich zu opaken Flächen deutlich höher, der höhere Wärmeverlust wird aber teilweise wieder kompensiert durch den Wärmegewinn, der nur bei transparenten Flächen realisiert werden kann. Südfassaden sind bei entsprechender Verglasung im Winter Energiegewinnfassaden, vorausgesetzt sie sind unverschattet der Sonne ausgesetzt. Im Sommer tragen verglaste Flächen zu einem bauklimatisch eher unerwünschten Wärmeeintrag bei, der durch Art des Sonnenschutzes sowie durch Orientierung und Anteil der Glasflächen lediglich beeinflusst werden kann. Die Optimierung der Glasflächen muss deshalb unter Berücksichtigung folgender Parameterdurchgeführt werden - U-Wert: Definiert den Wärmeverlust durch das Glas - g- Wert: Definiert den solaren Wärmegewinn - T- Wert: Definiert den Lichtdurchgang Seite: 7

8 Gegenseitige Abhängigkeit der unterschiedlichen die Qualität von Glas bestimmenden Parameter. Der augenblickliche technische Standard bei Isolierverglasung - Wärmeschutzverglasung - kann wie folgt beschriebenen werden: U-Wert: (DIN EN 673) g-wert: 62 % (DIN EN 410) T- Wert: 80 % (DIN EN 410) Dreifach Glas: U-Wert: 1,2 W/m 2 K (Ar) 1,1 W/m 2 K (Kr) (Krypton) 0,5 W/m 2 K (Kr) 0,6 W/m 2 K (Ar) g-wert: 52 % T-Wert: 71 % Ein hinsichtlich Selektivität optimiertes Sonnenschutzglas hat den Wert: U-Wert: 1,1 W/m 2 K g- Wert 37 % T- Wert 68 % Die Entwicklung bei der Glastechnologie geht in immer schnelleren Schritten voran, sodass eine ständige Aktualisierung der Daten über Herstellerangaben erforderlich ist. Seite: 8

9 Berechnung Die solare Einstrahlung auf transparente Flächen ist das Produkt aus Fläche (Rohbauöffnung des Fensters A), Korrekturfaktor für Rahmenanteil (FF), Gesamtenergiedurchlassgrad des Fensters (g-wert Glas, Abminderung durch Sonnenschutz, Verschmutzung, nicht senkrechter Strahlungseinfall), die monatliche solare Einstrahlung sowie die Zeit (24 h): Der Wert g eff wird je nach Art des Sonnenschutzes unterschiedlich beschrieben. Im Winterfall ist bei der Berechnung der solaren Einträge der Sonnenschutz nicht in Aktion. Fs = bauliche Verschattung/ i.d.r. 0,9, Fw = Abminderung nicht senkrechter Strahlungseinfall/ i.d.r. 0,9 Fv = Abminderung durch Verschmutzung / i.d.r. : 0,9 g senkrecht: = g- Wert des Fensters (s. Produktangabe) Seite: 9

10 Anrechnung Solare Gewinne können nur angerechnet werden, wenn sie auch wirklich auftreten. Zu prüfen ist deshalb immer, ob und in welcher Dauer die Fassade eines Gebäudes von der Sonne beschienen wird. Wird eine Süd- West- oder Ostfassade durch andere Gebäude verschattet, dann müßen für diese Fassaden die Einstrahlungswerte für die Nordfassade angesetzt werden. 21. März 21. Juni 23. Sept. 21. Dez. Sonnenaufgang Sonnenuntergang Sonnenscheindauer Sonne steht im Süden Sonneneinstrahlung für Südfassade 6:20 18:22 12h 02min 12:21 06h 01min 5:20 21:11 15h 51min 13:15 07h 56min 7:06 19:06 12h 13:06 06h 8:08 16:16 08h 08min 12:12 04h 04min Ansicht Isometrie Verschattung um 18:00 Bild: Simulation einer Verschattung mit sketch-up. Seite: 10

11 Bilanz Glasflächen sind in zweierlei Hinsicht von Bedeutung für das Passivkonzept. Sie verlieren relativ viel Wärme, sind aber als einziger Baustoff auch in der Lage solare Wärme zu nutzen. Die Orientierung der Glasflächen, die Größe der Glasflächen und die Art der Verglasung sind wichtige Bausteine eines optimierten Passivkonzeptes. Die Optimierung der Glasflächen muss unter Berücksichtigung folgender Parameter durchgeführt werden - Energieverlust (definiert über U Wert) - Energiegewinn (definiert über g - Wert) Am Beispiel einer Südverglasung kann dieser Sachverhalt für den Monat März wie folgt dargestellt werden: Glaskennwerte: U-Wert Gesamtfenster 1, 3 W/m2 / K Energiedurchgang: 80 % Solarer Eintrag im März (s. Tabelle auf Seite 6): 111 W/m2 Außentemperatur im März: 3 Grad Innentemperatur: 20 K Temperaturdifferenz: 17 K Wärmeverlust über einen Quadratmeter: 1,3 W/m2 *1 m2 * 17 K * 31 * 24 h / 1000 = 16,50 kwh/m2 Wärmegewinn Auf das Fenster im März auftreffende Energie: 111 W/m2 * 31 * 24 h /1000 = 82 kwh Energiedurchgang durch das Fenster: 82 kwh * 0,8 (g-wert) * 0,7 (Korrektur Rahmenanteil)* 0,9*0,9 (Korrektur Verschattung) * 0,9 (Korrektur Verschmutzung = 37,20 kwh Bilanz Fenster: Ein voll besonntes Südfenster hat im März einen Energieüberschuß von 20,70 kwh/m2 (Fensterfläche) Die solaren Energiegewinne durch Fenster sind sehr unterschiedlich, so dass die Größe und Orientierung der Fensterflächen einen großen Einfluss auf den Wärmeeintrag haben. Gerade bei dichter Bebauung ist zu prüfen, ob und inwieweit die Fensterflächen verschattet sind. In diesem Fall muss der rechnerisch ermittelte Wert entsprechend reduziert werden. Wärmegewinne werden in neuen Verfahren immer monatsweise ermittelt, und mit den ebenfalls monatsweise ermittelten Verlusten verrechnet. Zur effektiven Nutzung der solaren Energiegewinne ist Speichermasse (Massivbauteile)grundsätzlich hilfreich, ihre Bedeutung wird bei der Ermittlung der solaren Wärmegewinne aber häufig überschätzt. Seite: 11

12 Übung Sie haben ein 10 m 2 großes Fenster auf der Ostseite. Wieviel Energie gelangt durch das Fenster im Februar bzw. in der Heizzeit von Oktober bis April durch dieses Fenster in den Raum (g-wert 0,7). Der Standort des Hauses ist München. Seite: 12

13 Übung Berechnen Sie den Wärmegewinn und den Wärmeverlust durch das Südfenster in der Heizzeit von Oktober April und bilanzieren Sie die Werte (Holzfenster, U g = 1,1 W/m 2 K / g-wert 0,7). Seite: 13

14 Übung Wie würde sich die Bilanz verändern, wenn Sie eine Dreifach-Isolierverglasung verwenden würden? Seite: 14

15 Wärmegewinne durch Nutzung Wohngebäude Die Abwärme von Menschen, elektrischen Geräten und Beleuchtung trägt zur Beheizung eines Raumes bei. Die so genannte innere Wärme oder auch innere Last ist nutzungsabhängig und kann mit baulichen Mitteln nicht beeinflusst werden. Die Wärmegewinne durch die Nutzung eines Raumes werden als Durchschnittswerte angenommen. So bewohnen im Durchschnitt 3 Personen eine Wohnung von 100 m 2. Jeder der Bewohner ist im Mittel 16 Stunden zu Hause. Aufgrund der Heizleistung von 100 W / Person ergibt sich eine durchschnittliche Wärmeleistung von 3 Watt/m 2 bezogen auf 16 Stunden - bezogen auf 24 Stunden eine Leistung von 2 Watt/ m 2, Durch Beleuchtung und andere Elektrogeräte kommt nochmals eine durchschnittliche Leistung von 18 Watt/ m 2 dazu, die jedoch im Mittel nur 4 Stunden in Betrieb ist. Bezogen auf 24 Stunden beträgt dann die Leistung 3 W/m 2 Insgesamt geht man bei einer durchschnittlichen Nutzung eines Gebäudes von einer Wärmeleistung resultierend aus der Nutzung von 5 W/m2 aus. Bei einer angenommenen Heizzeit von 185 Tage führt das zu einem Wärmegewinn durch innere Lasten in der Größe von 22 kwh/m 2 führt. Die Berechnung lautet wie folgt: 5 W/m 2 X 185 * 24 h = Wh/ m 2 = 22 kwh/ m 2 Betrachtet man nur den Zeitraum von einem Monat mit 31 Tagen so berechnet sich der Wert wie folgt: 5 W/ m 2 x 31 x 24 h = 3,72 kwh / m 2 Würde man nur einen Tag betrachten, so würde der Wärmegewinn durch die Nutzung wie folgt berechnet: 5 W/m2 x 24 h = 0,12 kwh/m 2 Berechnungen werden bei Wohngebäuden immer mit dem Pauschalwert von 5 W/m2 durchgeführt. Differenzierte Berechnungen würden entsprechend definierte Nutzerprofile erfordern. Die daraus resultierenden Werte unterscheiden sich nur geringfügig von den Durchschnittswerten, sodass dieser Aufwand bei der Bilanzierung nicht betrieben wird. Unterschiedliche Wärmeeinträge entstehen bei den sogg. Nichtwohngebäuden. Beispielsweise können diese aufgrund der Nutzung stark schwankend sein - auch können durch Produktionsprozesse (z.b. Bäckerei) hohe Wärmeeinträge entstehen. Seite: 15

16 Nichtwohngebäude Bei den sogenannten NIchtwohngebäuden ist der Wärmeeintrag durch Nutzung oft deutlich höher. Hier entstehen dann vor allem im Sommer im Zusammenspiel mit solaren Wärmeeinträgen Behaglichkeitsprobleme im Raum aufgrund von Überhitzung. Aufstellung Innere Lasten Nr. V in m³ A in m³ Nutzung Installierte PersonenInterne Last Geräte Bel. Total max. pro Tag W / m² W / m² W / m² W / m² Wh/ m² x d Verwaltung 51,4 27,9 79,3 2 20,1 157, Verwaltung 12,2 33,9 46,1 2 18,8 190, Admin. 69,8 9,5 79,3 4 20,4 288, Ing. Büro 11,9 20,1 32,0 4 8,4 54, Sekretariat 26,7 12,1 38,8 3 13,3 148, Ing. Büro 6,9 35,6 42,5 2 15,2 78, Admin. 22,1 26, ,1 134, Admin. 129,4 45,8 175,2 2 31,3 315, Schule 5,5 19,0 24, ,7 185, Fabrik 9,0 9, ,4 71,1 Differenzierte Aufstellung der Inneren Lasten. Quelle: TAB 3/2002 Innere Last: Geräte 5,5 W/ m 2 Beleuchtung 19 W/m 2 Personen 37 W/m 2 Gesamt 61,5 W/m 2 Der mit damit zusammenhängende Wärmeeintrag stellt sich am Beispiel des Klassenzimmers in Zeile 9 wie folgt dar: Geräte 319 W * 2 h = 0638 Wh Beleuchtung 1102 W * 1,5 h = 1653 Wh Personen 85 W * 25 P * 4 h = 8500 Wh Summe: Wh spezifisch: 186,5 Wh/m 2 Seite: 16

17 Übung Wie hoch ist der Wärmeeintrag durch die Wärmegewinne durch Nutzung in kwh bei einer Wohnung mit 160 m2 (Heizzeit Oktober - März). Seite: 17

18 Übung Schätzen Sie den Wärmeeintrag durch die Nutzung in ihrer Wohnung ab (sie benötigen hierfür die Anschlußleistungen und die Betriebsdauer der in der Wohnung installierten Elektrogeräte sowie die Bewohneranzahl und deren durchschnittliche Verweildauer). Seite: 18

19 Heizwärmebedarf Berechnung Der Heizwärmebedarf ist das Ergebnis aus Verlusten und Gewinnen und beschreibt die Wärmemenge, die dem Haus zugeführt werden muss, damit eine bestimmte Temperatur erreicht wird. Er setzt sich wie folgt zusammen: Verluste: - Transmissionswärmeverlust - Lüftungswärmeverlusr Gewinne: - Solare Energieeinträge durch Fenster - Wärmeeinträge durch die Nutzung des Hauses Ein optimiertes bauliches Konzept (Passivkonzept) führt zu geringem Heizwärmebedarf. Folgender Wert ist durch bauliche Maßnahmen wirtschaftlich erreichbar: - Jahresheizwärmebedarf: kwh/m 2 Gebäude, die einen Heizwärmebedarf von 15 kwh/m2 im Jahr besitzen sind sogenannte Passivhäuser. Seite: 19

20 Übung: Berechnen Sie den Heizwärmebedarf für das von Ihnen ausgewählte Beispiel aus Übung 1 mit Hilfe einer selbst erstellten Excel- Tabelle: Seite: 20

21 Übung: Optimieren Sie den Heizwärmebedarf so, dass er den Wert von 40 kwh/m 2 nicht überschreitet. Seite: 21

22 Übung: Wieviele Freunde müssten Sie wie lange einladen, damit der Wärmeverlust eines trüben Tages im Januar (0 Grad Außentemperatur) ausgeglichen werden kann? Seite: 22