Dynamisches Raummodell. Grundprinzipien, Berechnungsmodelle und Weiterentwicklungen

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1 Fakultät Architektur Institut für Bauklimatik Ingenieurbüro ebök, Tübingen Dynamisches Raummodell von Bernd Glück: Grundprinzipien, Berechnungsmodelle und Weiterentwicklungen Dipl.-Phys. Thomas Kirtschig TU Dresden Institut für Bauklimatik Planung und Entwicklung GmbH ebök, Tübingen Symposium in Dresden, März 2012

2 Thermische Behaglichkeit als Schnittstelle zwischen Planer und Nutzer Meine Aufgabe als Planer (im Bereich der thermischen Bauphysik): Abgabe b einer Planung für ein funktionierendes i Gebäude -> Thermische Behaglichkeit Keine unnötigen Kosten produzieren Das Gebäude soll energiesparend sein Was ich als Planer benötige: Berechnungswerkzeuge, die ausreichende Planungssicherheit bieten Flexible Planungswerkzeuge, um auf die architektonische und technische Vielfalt reagieren zu können TU Dresden, Dynamisches Raummodell Folie 2 von 28

3 TU Dresden, Dynamisches Raummodell Folie 3 von XYZ

4 Aktuelle Artikel zur Heiz- und Kühllast aus HLH Feb aus GI 2012 Heft 1 Nach der neuen VDI 2078 ist die Kühllast nicht allein vom Gebäude und seiner Nutzung bestimmt, sie wird maßgeblich auch von der Art und Regelstrategie haustechnischer Anlagen bestimmt. Der alleinige Vergleich der Kühllasten kann keine Aussage zur Energieeffizienz der Anlagen liefern, erst die Betrachtung von Kühllast und Energiebedarf ermöglicht eine Wertung Auch die die Heizlast sollte dynamisch unter Berücksichtigung der Wärmespeicherung sowie der Wärmequellen (und mit den Wetterdaten der TRY) ermittelt werden. Neuere Untersuchungen belegen, dass ca. 80% der Heizungsanlagen ineffektiv arbeiten. Ein nicht unerheblicher Teil dieser Anlagen ist überdimensioniert.... Darüberhinaus schaffen der Physik zuwiderlaufende Berechnungsvorschriften keine Planungssicherheit. TU Dresden, Dynamisches Raummodell Folie 4 von 28

5 Wie bekomme ich Planungssicherheit? Bestimmung der: Heizlast Kühllast Be- und Entfeuchtungslast Zur Bewertung: Jahresenergiebedarf für Heizen, Kühlen, Lüften, Be- und Entfeuchten, Berechnung von Behaglichkeitsparametern unter Berücksichtigung verschiedener Regelungsstrategien und möglichst nah an der Physik TU Dresden, Dynamisches Raummodell Folie 5 von 28

6 Behaglichkeitsparameter: Globale thermische Behaglichkeit Operative Raumtemperatur / Empfindungstemperatur p PMV- und PPD Werte LPPD-Wert (P.O. Fanger ) Jahresbilanzen für statistische Auswertungen Raumluftqualität (CO2-Konzentration) Lokale thermische Lokale o Behaglichkeit thermische (ISO Behaglichkeit 7730) o (lokale) Zugluft vertikaler Lufttemperaturgradient warmer/kalter Fußboden Strahlungstemperaturasymmetrie TU Dresden, Dynamisches Raummodell Folie 6 von 28

7 Eingangsparameter für die thermische Behaglichkeit Für die globalen Behaglichkeitsparameter: Energieumsatz des Menschen (körperliche Aktivität) Wärmeleitungswiderstand der Bekleidung Lufttemperatur Strahlungstemperatur relativ Luftfeuchte CO 2 -Gehalt der Raumluft o Luftgeschwindigkeit Für die lokalen Behaglichkeitsparameter zusätzlich Differenz der Strahlung aus dem wärmsten und kältesten Halbraum (Strahlungstemperaturasymmetrie) vertikale Lufttemperaturgradient o Turbulenzgrad der Luftgeschwindigkeit g TU Dresden, Dynamisches Raummodell Folie 7 von 28

8 Das Rechenmodell von Prof. Glück und die geplanten Weiterentwicklungen Konvektionsmodell Strahlungsmodell Wärmeleitungsmodell Geplante Weiterentwicklungen des Raummodells: Schnellere und stabilere Solver (für Jahresbilanzen) Ergonomischere Eingabe- und Ausgabemasken Berechnung von freie Lüftung und Infiltration Feuchte-, PMV- und CO2-Modell Regelungsmöglichkeiten der (Haustechnik-) Systeme ( Reglerbibliothek ) Solarstrahlungsmodell / Verschattungsmodell TU Dresden, Dynamisches Raummodell Folie 8 von 28

9 Das Wärmeleitungsmodell Verwendung der am IBK vorhandenen Wandmodelle (z.b. für Delphin) unter Berücksichtigung von Feuchtetransport und speicherung im Bauteil Geplante Weitereinwicklungen: Modell zur Simulation von PCM-haltigen Materialien Modell zur Simulation von Bauteilaktivierung (z.b. BKT) TU Dresden, Dynamisches Raummodell Folie 9 von 28

10 Das Konvektionsmodell o ode von Prof. Glück Quelle: B. Glück Verfolgung g der Wärme-, Masse- und Enthalpieströme im Glück-Modell TU Dresden, Dynamisches Raummodell Folie 10 von 28

11 Das Konvektionsmodell im dynamischen Raummodell Nicht-lineares Gleichungssystem für l Luftschichttemperaturen: Dabei werden Enthalpieströme berücksichtigt, die verursacht werden durch: warme oder kalte Oberflächen Zuluft, Abluft und Umluft lokale Wärmequellen und senken In- und Exfiltration durch Fenster / Fugen infolge der Massestromerhaltung in den Schichten Ergebnis: Vertikaler Lufttemperaturgradient TU Dresden, Dynamisches Raummodell Folie 11 von 28

12 Ermittlung der Strahlungstemperatur und der Strahlungstemperaturasymmetrie Quelle: B. Glück, Dynamisches Raummodell TU Dresden, Dynamisches Raummodell Folie 12 von 28

13 Neue Auswertungen zur Strahlungsasymmetrie von B. Glück TU Dresden, Dynamisches Raummodell Folie 13 von 28

14 Bürogebäude ebök, Tübingen Praxisbeispiel 1: Erzwungene Konvektion TU Dresden, Dynamisches Raummodell Folie 14 von 28

15 Wärmestrommessplatte Boden Temperatur Zuluft Temperatur Decke bei Türe V = 46 m³/h V = 73 m³/h V = 150 m³/h Lufttemperatur Globethermometer Luftfeuchtigkeit Luftgeschwindigkeit Wärmestrommessplatte Decke Temperatur Decke bei Fenster Quelle: Diplomarbeit Dirk Dose Bereiche mit Luftgeschwindigkeiten zwischen 0,3-1,4 m/s Praxisbeispiel 1 : Erzwungene Konvektion TU Dresden, Dynamisches Raummodell Folie 15 von 28

16 14:00 Uhr Quelle: Diplomarbeit Dirk Dose 06:00 Uhr Praxisbeispiel 1 : Erzwungene Konvektion TU Dresden, Dynamisches Raummodell Folie 16 von 28

17 Praxisbeispiel 1 : Erzwungene Konvektion TU Dresden, Dynamisches Raummodell Folie 17 von 28

18 Quelle: Stefan Oehler Praxisbeispiel i i 2: Emissionskoeffizienten, i i Atrium Energon TU Dresden, Dynamisches Raummodell Folie 18 von 28

19 Quelle: Stefan Oehler Praxisbeispiel i i 2: Emissionskoeffizienten, i i Atrium Energon TU Dresden, Dynamisches Raummodell Folie 19 von 28

20 TU Dresden, Dynamisches Raummodell Folie 20 von XYZ

21 ENERGON: Atrium Wärmestrom in die Innenbüros Wärmestrom in die Innenbüros [W/m² Bürofläch he] Tagesmaximum bei BKT-Auslegung berücksichtigt OG3: OG1-OG3 mit Hardcoating OG3: ohne Hardcoating OG2: OG1-OG3 mit Hardcoating OG2: ohne Hardcoating OG1: OG1-OG3 mit Hardcoating OG1: ohne Hardcoating Strahlungsleistung durch das Glasdach [W/m²] Quelle: ebök Praxisbeispiel 2: Emissionskoeffizienten, Atrium Energon TU Dresden, Dynamisches Raummodell Folie 21 von 28

22 Lufttemperaturprofil ENERGON im Atrium Lufttemper ratur [ C] ALD Innenbüro Pi=350W/m², 25tqm Zuluft (25 ), SoSchu hoch Top=27,3 Luftansaugung Aussenbüros Pi=400W/m², mit Hardcoating OG1-OG3, Top=30 C Pi=100W/m², mit Hardcoating OG1-OG3, Top=25,5 C Höhe [m] Quelle: ebök Praxisbeispiel 3: Lufttemperaturgradient, Atrium Energon TU Dresden, Dynamisches Raummodell Folie 22 von 28

23 Quelle: AB Ackermann&Raff Praxisbeispiel 4: Sommernachtlüftung PH-Gymnasium F.a.M TU Dresden, Dynamisches Raummodell Folie 23 von 28

24 X Praxisbeispiel 4: Sommernachtlüftung PH-Gymnasium F.a.M TU Dresden, Dynamisches Raummodell Folie 24 von 28

25 Druckneutrale Zone Praxisbeispiel 4: Sommernachtlüftung PH-Gymnasium F.a.M TU Dresden, Dynamisches Raummodell Folie 25 von 28

26 Weitere Anwendungsbeispiele für das dynamische Raummodell Strahlungstemperaturasymmetrie: -> Grenzen der Anwendbarkeit von innenliegenden Heizkörpern Feuchtebilanz: -> Grenzen der Frischluftheizung; -> Möglichkeiten zur Vermeidung von Lufttrockenheit in Kälteperioden (z.b. durch Feuchtepuffernde Materialien) Freie Lüftung durch Fugen: -> Auswirkung auf die Heizlast in Schachttypgebeäuden Vertikaler Lufttemperaturgradient: -> Auswirkungen auf die Leistungsabgabe von BKT-Heizung / Kühlung -> Beurteilung der therm. Behaglichkeit in hohen Hallen im Aufenthaltsbereich Differenzierte Betrachtung von Wärmeübergangskoeffizienten: -> Anordnung von Absorberflächen bei Sommernachtlüftung: Innen/außen Regelung: -> Notwendigkeit/Vorteile von Wetterprognosen zur Regelung von BKT- Heizung/Kühlung CO 2 -Bilanz: -> Einsparpotential durch CO 2 - geregelte Lüftungsanlagen Raumkenngrößen: -> Schnelle Charakterisierung von Räumen, Auswahl geeigneter Haustechniksysteme TU Dresden, Dynamisches Raummodell Folie 26 von 28

27 Zielsetzungen für das dynamische Raummodell: Berechnung thermischer Behaglichkeit Globale thermische Behaglichkeit Operative Raumtemperatur / Empfindungstemperatur PMV- und PPD Werte (ISO 7730) LPPD-Wert (P.O. Fanger) Jahresbilanzen für statistische Auswertungen Raumluftqualität / CO2-Konzentration Lokale thermische h Behaglichkeit hk it (ISO 7730) o (lokale) Zugluft vertikaler Lufttemperaturgradient warmer/kalter Fußboden Strahlungstemperaturasymmetrie Welchen finanziellen und energetischen Aufwand muss ich dafür betreiben? bauliche und technische Maßnahmen für den gewünschten Komfort erforderliche Regelungsstrategie für den gewünschten Komfort Erforderlicher Jahresenergiebedarf Umsetzungsorientiert zum Einsatz in der Lehre (Lernnetzwerk), im Ingenieursalltag und zur Weiterentwicklung von Bau- und Haustechniksystemen TU Dresden, Dynamisches Raummodell Folie 27 von 28

28 Fakultät Architektur Institut für Bauklimatik Ingenieurbüro ebök, Tübingen Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Dipl.-Phys. Thomas Kirtschig TU Dresden Institut für Bauklimatik Planung und Entwicklung GmbH ebök, Tübingen Symposium in Dresden, März 2012