Thermische und strömungstechnische Untersuchung zur Ertüchtigung historischer Kastenfenster im Rahmen des Projekts denkmalaktiv

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1 slide 1 Thermische und strömungstechnische Untersuchung zur Ertüchtigung historischer Kastenfenster im Rahmen des Projekts denkmalaktiv Institut für Wärmetechnik: Brandl Daniel Mach Thomas Institut für Hochbau: Grobbauer Michael Ruisinger Ulrich Technische Universität Graz slide 2 Das Forschungsprojekt denkmalaktiv bearbeitet das Spannungsfeld, das sich zwischen den bewahrenden Anliegen des Denkmalschutzes und den aktuellen Erfordernissen des Klimaschutzes aufspannt. 3 Handlungsfelder: DISKURS BAUSTEINE KONZEPTE 1

2 slide 3 Kastenfenster Objekt Radetzkystraße Grundlagen Typisch bis ca Ca. 10 Mio. Kastenfenster in Österreich Eigenschaften theoretisch bekannt Kenntnisdefizite Ziele Kaum Messungen in situ Luftströmung im Fensterzwischenraum Hygrothermisches Verhalten Besseres Verständnis, dadurch: Höhere Akzeptanz zur Erhaltung Energieeinsparung Geringerer Ressourcenverbrauch Sanierungsvorschläge Untersuchungsmethoden Kastenfenstermessung Hygrothermische Simulation Strömungssimulation slide 4 Kastenfenster (1) (2) SW-Fassade der Kinderbetreuungseinrichtung, Schönbrunngasse 30, 8043 Mariatrost Kastenfenstermessung Messung baugleicher Kastenfenster: (1) Saniert (2) Verbessert Messsensoren zur Erfassung von: Temperatur und Luftfeuchte Luftströmung Strahlung (In)stationäre hygrothermische Simulation Wärme- und Feuchteverteilung Bewertung hinsichtlich möglicher Schäden (z.b. Schimmel, Tauwasser etc.) (a) (b) Foto und schematische Darstellung vom Kastenfenster inklusive Messaufbau Hygrothermische Simulation: (a) KF mit K-Glas, (b) KF mit K-Glas und Schaumglasdämmung in Bauanschlussfuge 2

3 slide 5 CFD-Simulation-Einleitung Masseerhaltung: Impulserhaltung: Energieerhaltung: CFD = Computational Fluid Dynamics Berechnungsgitter CFD-Modelle bestehen aus einer Vielzahl vernetzter Zellen Zellenweise Berechnung Iteratives Berechnungsverfahren Strömungsmodellierung Impulserhaltung Masseerhaltung Turbulenzmodellierung Spezifische Fluideigenschaften (z.b. ideales inkompressibles Gas) Thermische Einflüsse Natürliche Konvektion (thermischer Auftrieb) Wärmeleitung Einfluss von Strahlung slide 6 CFD-Modellkonstruktion (a)...3-d-cad-modell eines der Kastenfenster im Dachgeschoss in der Kinderbetreuungseinrichtung, Schönbrunngasse 30, 8043 Mariatrost (b),(c).schnitt durch das 3-D-Modell als Basis zur Erstellung der 2-D Geometrie der Fassade mit dem Kastenfenster (d) Ausschnitt aus dem 2-D-Simulationsmodell im Bereich des Kastenfensters, bestehend aus einer Vielzahl zusammenhängender Zellen 3

4 slide 7 Gitterzellenmodell erstellt mit Hilfe der Software Gambit : ca Zellen Innenraum Kastenfenster Außen-Umgebung Geschosszwischenzone Größte Zelle im Modell ist ca. 64 x 32 mm groß slide 8 Innenraum Rollo-Kasten Kastenfenster Außen-Umgebung 4

5 slide 9 Fensterrahmen Zelle mit 1x1 mm Rollo-Kasten Fensterscheibe Luftkanal slide 10 Rollo-Kasten Fensterrahmen Zelle mit 1x1 mm Luftkanal 5

6 Kleinste Zelle im Gitter ist ca. 0,1 x 0,1 [mm] groß slide 11 Zelle mit 1x1 mm Rollo-Kasten Luftkanal Fensterrahmen slide 12 CFD-Modellaufbau und Randbedingungen Sommerfall: 12:00 Uhr, Mittag Außentemperatur: T Umg,Sommer = 40 [ C] Globalstrahlung: I Sol = 1000 [W/m²] Winterfall: 00:00 Uhr, Mitternacht Außentemperatur: T Umg,Winter = -20 [ C] Keine Solare Strahlung 6

7 slide 13 CFD-Simulationsvarianten 001-unsaniert 004-innerer-Vorsatzkasten 002--abgedichtet 003-komplett gedämmt i a 005-innere-Trennung 006-Balken- Kastenfenster inklusive Messaufbau im Dachgeschoss der Kinderbetreuungseinrichtung, Schönbrunngasse 30, 8043 Mariatrost slide 14 Temperaturverlauf und Luftströmung: Fall 001- unsaniert - Winter v abs [m/s] T [ C] ca. 27 [ C] -20 [ C] 7

8 slide 15 Temperaturverlauf und Luftströmung: Fall 001- unsaniert - Winter (1) (2) (1) Luftstrom unten in den Raum Temperaturbereich von 3 bis 10 [ C] (2) Luftstrom unten ins Kastenfenster Temperaturbereich von -12 bis -6 [ C] Sockel slide 16 Temperaturverlauf und Luftströmung: Fall 001- unsaniert - Winter (3) (1) Luftstrom unten in den Raum Temperaturbereich von 3 bis 10 [ C] (2) Luftstrom unten ins Kastenfenster Temperaturbereich von -12 bis -6 [ C] (3) Natürliche (freie) Konvektion Auf- und Abtriebs-Strömung an den Fensterscheiben Konvektionsschicht an der Außenscheibe Fenstermitte Konvektionsschicht an der Innenscheibe 8

9 slide 17 Temperaturverlauf und Luftströmung: Fall 001- unsaniert - Winter (4) (5) (1) Luftstrom unten in den Raum Temperaturbereich von 3 bis 10 [ C] (2) Luftstrom unten ins Kastenfenster Temperaturbereich von -12 bis -6 [ C] (3) Natürliche (freie) Konvektion Auf- und Abtriebs-Strömung an den Fensterscheiben (4) Luftstrom oben ins Kastenfenster Temperaturbereich von 19 bis 15 [ C] (5) Luftstrom oben nach Temperaturbereich von 7 bis -8 [ C] Oberer Fensterbereich slide 18 Temperaturverlauf und Luftströmung: Fall 001- unsaniert - Sommer v abs [m/s] T [ C] ca [ C] 40 [ C] 9

10 slide 19 Temperaturverlauf und Luftströmung: Fall 001- unsaniert - Sommer (2) (3) (1) (1) Luft erwärmt sich durch die aufgeheizten Oberfläche (2) Höhere Temperatur im Sockelbereich als im oberen Fensterraum T Sockel = ca. 43 [ C] T oben = ca [ C] (3) Entstehung von Luft Verwirbelungen im Sockelbereich v Wirbel,max = ca. 0,04 [m/s] (4) Luftstrom unten ins Kastenfenster Vom Raum, Von Außen (4) Sockel slide 20 Temperaturverlauf und Luftströmung: Fall 001- unsaniert - Sommer (5) (6) (1) Luft erwärmt sich durch die aufgeheizten Oberfläche (2) Höhere Temperatur im Sockelbereich als im oberen Fensterraum T Sockel = ca. 43 [ C] T oben = ca [ C] (3) Entstehung von Luft Verwirbelungen im Sockelbereich v Wirbel,max = ca. 0,04 [m/s] (4) Luftstrom unten ins Kastenfenster Vom Raum, Von Außen (5) Auftriebsströmung im Zentrum Im Kastenfenster ca. ab 2. Drittel der Fensterhöhe (6) Natürliche (freie) Konvektion Abtrieb im Kastenfensterinneren Auftrieb Außen und im Innenraum Fenstermitte 10

11 slide 21 Temperaturverlauf und Luftströmung: Fall 001- unsaniert - Sommer (8) (7) (1) Luft erwärmt sich durch die aufgeheizten Oberfläche (2) Höhere Temperatur im Sockelbereich als im oberen Fensterraum T Sockel = ca. 43 [ C] T oben = ca [ C] (3) Entstehung von Luft Verwirbelungen im Sockelbereich v Wirbel,max = ca. 0,04 [m/s] (4) Luftstrom unten ins Kastenfenster Vom Raum, Von Außen (5) Auftriebsströmung im Zentrum Im Kastenfenster ab ca. der Hälfte der Fensterhöhe (6) Natürliche (freie) Konvektion Abtrieb im Kastenfensterinneren Auftrieb Außen und im Innenraum (7) Luftstrom aus dem Kastenfenster In den Raum, nach Außen Oberer Fensterbereich (8) Umlenkung der Strömung im oberen Fensterbereich slide 22 Strömung v y [m/s] Temperatur T [ C] Diagramme: Fall 001- unsaniert, Fenster-Zwischenraumtiefe Winter Sommer T x center 001 T x oben 001 T x unten x-achse [m] V x center 001 V x unten 001 V x oben x-achse [m] Temperatur T [ C] Strömung v y [m/s] 001 T x center 001 T x oben 001 T x unten x-achse [m] V x center 001 V x oben 001 V x unten x-achse [m] 11

12 slide 23 y-achse [m] y-achse [m] Diagramme: Fall 001- unsaniert, Fenster-Zwischenraumhöhe Winter 001 T y center 001 T y Raum 001 T y Umgebung Temperatur T [ C] 001 V y center 001 V y Raum 001 V y Umgebung Strömungsgeschwindigkeit v y [m/s] y-achse [m] y-achse [m] Sommer 001 T y center 001 T y Raum 001 T y Umgebung Temperatur T [ C] 001 V y center 001 V y Raum 001 V y Umgebung Strömungsgeschwindigkeit v y [m/s] slide 24 Herzlichen Dank für Ihre Aufmerksamkeit daniel.brandl@tugraz.at 12