Vereinfachte Berechnungsmethode zur energetischen Bewertung von Glas- Doppelfassaden Kurzfassung Endbericht (deutsch) Forschungsprogramm Zukunft Bau Projektlaufzeit 01. September 2006 bis 30. September 2008 Aktenzeichen 10.08.18.7-06.34 im Auftrag des Bundesamtes für Bauwesen und Raumentwicklung (BBR) bearbeitet von Ingo Heusler, Fraunhofer-Institut für Bauphysik, Holzkirchen Herbert Sinnesbichler, Fraunhofer-Institut für Bauphysik, Holzkirchen
Das Fraunhofer-Institut für Bauphysik entwickelte eine neue Bewertungsmethode für Glasdoppelfassaden, die sich in die bisherige Rechenvorschrift DIN V 18599 integrieren lässt. Der Fassadenzwischenraum (Luftraum) von Glasdoppelfassaden (GDF) wirkt als thermische Pufferzone zwischen Gebäude- und Außenklima. Innerhalb dieser Pufferzone laufen dynamische, instationäre Vorgänge ab, die die Energiebilanz des betrachteten Gebäudes beeinflussen. Bislang waren genaue Berechnungen dieses energetischen Verhaltens nur durch aufwendige, dynamische Simulationsprogramme möglich, um die komplexen bauphysikalischen Vorgänge im Fassadenzwischenraum abbilden zu können. Da derartige Berechnungen sehr zeitaufwendig sind, ist es nicht üblich diese im frühen Planungsstadium einzusetzen. Für die Nachweisführung im Rahmen der Energieeinsparverordnung (EnEV) ist es jedoch bereits im frühen Planungsstadium eines Gebäudes notwendig, Aussagen zum energetischen Verhalten zu treffen. Man hat zu prüfen, ob die Anforderungen an den maximal zulässigen Energiebedarf erfüllt sind bzw. wo Optimierungen notwendig sind. Im Rahmen des Forschungsvorhabens Bewertungsmethode GDF wurde ein vereinfachtes Berechnungsmodell entwickelt, um die Fassadentechnologie Doppelfassade mit geringem Aufwand energetisch bewertbar zu machen. An der Versuchseinrichtung für energetische und raumklimatische Untersuchungen (VERU, siehe Bild 1) wurden Freiland-Messungen an zwei unterschiedlichen Doppelfassaden durchgeführt, die einerseits dazu dienten, bauphysikalische Potenziale und Unterschiede der beiden extrem gewählten Doppelfassadentypen darzustellen und andererseits instationäre Simulationsmodelle zu überprüfen. Bild 1: Außenansicht der Versuchseinrichtung für energetische und raumklimatische Untersuchungen (VERU). Mit Hilfe von Simulationsrechnungen konnten für unterschiedliche Typen von Glasdoppelfassaden Kennlinien zur Ermittlung des Luftwechsels im Fassadenzwischenraum (Luftspalt) der Doppelfassade erstellt werden. Diese ersetzen den im bisherigen Modell nach DIN V 18599 pauschal angesetzten Luftwechsel von 10 h -1.
Das neue Berechnungsmodell Das neue Berechnungsmodell ist bereits in der frühen Planungsphase bei Kenntnis weniger wesentlicher Parameter einer Glasdoppelfassade anwendbar. Bei einer großen Zahl an Parametern würde das neue Berechnungsmodell so umfangreich, dass der zeitliche Vorteil gegenüber einer instationären Berechnung aufgehoben würde. Daher wurde festgelegt, dass nur Parameter eingehen, die den Energiebedarf signifikant beeinflussen. Es wurden vier grundlegende Systemeigenschaften identifiziert, die den Luftwechsel innerhalb einer natürlich durchströmten Doppelfassade maßgeblich beeinflussen. Für das neue Berechnungsmodell werden diese Parameter berücksichtigt: Art der äußeren Verglasung Tiefe des Fassadenzwischenraums Öffnungsfläche der Lüftungsöffnungen Durchflußbeiwert der Lüftungsöffnungen Eine Glasdoppelfassade wird zunächst hinsichtlich des Verglasungstyps in der äußeren Ebene unterschieden. In der Praxis kommen hier Einfach- oder Zweifachfachverglasungen vor. Danach ist die Tiefe des Fassadenzwischenraums anzugeben. Diese liegt bei üblichen Doppelfassadenkonstruktionen zwischen 0,5 m und 1,5 m. Für jede der Kombinationen aus äußerer Verglasung und Tiefe des Fassadenzwischenraums kann dann anhand der nachfolgend angegebenen Kennlinien eine Abschätzung des Luftwechsels innerhalb der Doppelfassade bei Kenntnis der Größe und Art der Lüftungsöffnungen erfolgen. Dabei ist die aerodynamisch wirksame Öffnungsfläche der äußeren Glasfassade A GDF,aero zu ermitteln. Diese bestimmt sich aus der kleineren (=repräsentative) der Ansichtsflächen der Zu- bzw. Abluftöffnung (A GDF ) und dem Durchflussbeiwert c v,gdf der Öffnung. A GDF,aero = A c Gleichung 1 GDF v,gdf Die ermittelten Kennlinien stellen jeweils einen linearen Zusammenhang zwischen der Luftwechselrate n ue und der aerodynamisch wirksamen Öffnungsfläche für die verschiedenen Doppelfassadentypen her. n ue = z A Gleichung 2 GDF GDF,aero n ue Die Luftwechselrate zwischen der an die thermisch konditionierte Gebäudezone angrenzenden unbeheizten oder ungekühlten Gebäudezone und Außen in h -1 z GDF Abstandsabhängiger Luftwechselbeiwert (abhängig vom Scheibenabstand der Glasdoppelfassade) A Aerodynamisch wirksame Öffnungsfläche der äußeren Glasfassade in m 2 /lfdm GDF,aero Die auf diese Weise ermittelte Luftwechselrate n ue wird zur Berechnung des Lüftungswärmetransferkoeffizienten gemäß DIN V 18599 verwendet.
Einfachverglasung außen Bild 2 zeigt exemplarisch eine Kennlinie zur Ermittlung der Luftwechselrate n ue bei einer Glasdoppelfassade mit Einfachverglasung und einem Scheibenabstand von 0,7 m. Der entsprechende abstandsabhängige Luftwechselbeiwert z GDF kann Tabelle 1 entnommen werden. 200 Glasdoppelfassade mit 1-fach-Verglasung außen und 0,7 m Scheibenabstand 150 Luftwechselrate n ue [h -1 ] 100 50 0 0,000 0,025 0,050 0,075 0,100 Repräsentative aerodynamisch wirksame Öffnungsfläche A GDF,aero in m²/lfdm Bild 2: Kennlinie zur Ermittlung des Luftwechsels n ue im Fassadenzwischenraum der Doppelfassade bei außenliegender Einfachverglasung und einem Scheibenabstand von 0,7 m. Tabelle 1: Abstandsabhängige Luftwechselbeiwerte z GDF bei einer Glasdoppelfassade mit Einfachverglasung außen. Einfachverglasung Scheibenabstand [m] außen 0,5 0,7 1,0 1,5 z GDF [-] 2600 1500 900 500 Zweifachverglasung außen Bild 3 zeigt exemplarisch eine Kennlinie zur Ermittlung der Luftwechselrate n ue bei einer Glasdoppelfassade mit Zweifachverglasung und einem Scheibenabstand von 0,7 m. Der entsprechende abstandsabhängige Luftwechselbeiwert z GDF kann Tabelle 2 entnommen werden.
200 Glasdoppelfassade mit 2-fach-Verglasung außen und 0,7 m Scheibenabstand 150 Luftwechselrate n ue [h -1 ] 100 50 0 0,000 0,025 0,050 0,075 0,100 Repräsentative aerodynamisch wirksame Öffnungsfläche A GDF,aero in m²/lfdm Bild 3: Kennlinie zur Ermittlung des Luftwechsels n ue im Fassadenzwischenraum der Doppelfassade bei außenliegender Zweifachverglasung und einem Scheibenabstand von 0,7 m. Tabelle 2: Abstandsabhängige Luftwechselbeiwerte z GDF bei einer Glasdoppelfassade mit Zweifachverglasung außen. Zweifachverglasung Scheibenabstand [m] außen 0,5 0,7 1,0 1,5 z GDF [-] 1200 800 600 450 Veranschaulichung anhand der Versuchsbedingungen Auf dem Freigelände des Fraunhofer-Instituts für Bauphysik in Holzkirchen wurden zwei gleich große, typische Büroräume mit unterschiedlichen Glasdoppelfassaden und unterschiedlichen Sonnenschutz eingerichtet (siehe Bild 4). Es wurde in beiden Räumen die gleiche Anlagentechnik und das gleiche Beleuchtungssystem gewählt. Das Ziel war die Herstellung von zwei identischen Büroräumen hinsichtlich Orientierung, Geometrie und Ausstattung, denen aber Glasdoppelfassaden vorgestellt sind, die hinsichtlich ihrer wärmetechnischen Eigenschaften Extremfälle darstellen. Das Grundmodell für die Simulationsrechnungen bildete einer der beiden Versuchsräume. Bei den Versuchsräumen betrug die Bruttoöffnungsfläche der Zu-/ Abluftöffnungen jeweils ca. 1 m². Bei einer Fassadenbreite von ca. 3,7 m ermittelt sich damit die repräsentative Ansichtsfläche der Öffnung (A GDF ) zu 0,27 m²/lfdm. Dies entspricht knapp 7 % in Bezug auf die gesamte Fassadenfläche von ca. 14,4 m² (Verglasung und Lüftungsöffnungen). Der Durchflußbeiwert c v,gdf des Wetterschutzgitters in Kombination mit der geöffneten Klappe betrug etwa 0,09, so dass sich gemäß Gleichung 1 eine aerodynamisch wirksame Öffnungsfläche von ca. 0,023 m²/lfdm ergibt. Mit Hilfe der Kennlinie in Bild 2 für eine Glasdoppelfassade mit Einfachverglasung außen und einem Scheibenabstand von 0,7 m bzw. dem zugehörigen abstandsabhängigen Luftwechselbeiwert z GDF gemäß Tabelle 1 lässt sich gemäß Gleichung 2 eine Luftwechselrate n ue von 1500 x 0,023 = 35 h -1 ableiten.
Bild 4: Außenansicht der beiden Büroräume mit Glasdoppelfassade am Versuchsstand VERU. Anwendungshinweise Das neue Berechnungsmodell dient dazu, Gebäude mit Glasdoppelfassaden im Rahmen der Energieeinsparverordnung und der damit verbundenen Rechenvorschrift DIN V 18599 auf einfache, im Planungsprozess handhabbare Weise energetisch nach dem Monatsbilanzverfahren bewerten zu können. Hierbei ist es erforderlich, die Anzahl der Randbedingungen und Parameter, die bei Glasdoppelfassaden eine Rolle spielen, zu beschränken. Aufgrund dieses Ansatzes können nur bestimmte Typen von Glasdoppelfassaden bewertet werden. Hierzu zählen natürlich belüftete, geschossweise getrennte Glasdoppelfassaden. Eine Beoder Entlüftung der angrenzenden Räume über die Doppelfassade ist derzeit in der Berechnungsmethodik nicht vorgesehen. Die äußere Verglasung kann aus Ein- oder Zweischeibenverglasung bestehen, die Tiefe des Fassadenzwischenraums bis 1,5 m betragen. Weitere Bedingungen betreffen die Lüftungsöffnungen der Glasdoppelfassade. Weicht das zu betrachtende Doppelfassadensystem von den genannten Vorgaben ab, so muss dieses wie bisher mit Hilfe instationärer Gebäudesimulation oder messtechnisch bewertet werden.