BK 1: Sommerlicher Wärmeschutz - hm

Sommersemester 2011 / 6. Semester / Modul 6.2 Ökologie II / Teilmodul Baukonstruktion

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Hochschule München Fakultät Architektur Professor Clemens Richarz Architekt 16. März 2011 Seite: 1

BK 1: Sommerlicher Wärmeschutz


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Hochschule München Fakultät Architektur Professor Clemens Richarz Architekt Seite: 2 17. März 2011

Inhaltsverzeichnis Kühlbedarf Seite 3 DIN 4108 - 2 von 7/2003 Seite 4 - 10 Abschätzung der Kühllast Seite 11 - 12 Energieeinsparverordnung Seite 13 Beispiel Seite 14 - 15 Fragen Seite 16


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Kühlbedarf Abschätzung Art und Umfang anlagentechnischer Maßnahmen hängen vom baulichen Konzept eines Gebäudes ab. Die Bewertung und Optimierung dieses Konzeptes ist deshalb zentrales Anliegen beim ressourcensparenden Bauen. Ob und in welchem Umfang ein Gebäude gekühlt werden muss, ist aufgrund der instationären Wärmeeinträge nur schwer abzuschätzen. Wichtig für alle Abschätzungen ist, dass als Ausgangspunkt nicht das gesamte Gebäude betrachtet wird sondern der einzelne Raum. Abgeschätzt werden muss also, welcher Raum aufgrund seiner Orientierung, seiner Befensterung oder auch seiner Nutzung eine besondere Wärmebelastung besitzt. Folgende Methoden zur Abschätzung der Wärmelasten können angewendet werden:

- Abschätzung nach DIN 4108 – 2 (7/2003)

- Abschätzung der Lasten (Kühllast nach VDI 2078)

- Dynamische Simulation

DIN 4108-2:2003-07


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Wirksame Wärmespeicherfähigkeit In der aktuellen Normung spielt die Speicherfähigkeit eines Gebäudes eine zentrale Rolle. In der DIN 4108-2 (07/2003) ist deshalb im Vergleich zur Norm von 8/81 eine etwas differenzierte Berechnungsmethode dargestellt. Die Berechnungsmethode wurde dahingehend verändert, dass nun alle den Raum umschließende Bauteile hinsichtlich ihrer Speicherfähigkeit erfasst werden. Das daraus resultierende Gesamtgewicht wird dann auf die Grundfläche des Raumes bezogen.

A Fläche der Innenbauteile AG Grundfläche des Raumes dwirk wirksame Dicke einer Baustoffschicht ( max. 10 cm) c spezif. Wärmespeicherfähigkeit der Baustoffschicht p Dichte der Baustoffschicht 10 cm – Regel: Es wir maximal eine Bautiefe von 10 cm als Speicher angerechnet. Unterbrochene Schicht Wird der Schichtenaufbau durch eine Dämmschicht unterbrochen, so zählt nur die Masse vor der Dämmschicht zur Speichermasse, Folgende Klassifizierungen werden festgelegt: Leichte Bauart:

Cwirk /AG 50 Wh/(Km²) mittlere Bauart :

50 Wh/(Km²) Cwirk /AG 130 Wh/(Km²) schwere Bauart : Cwirk /AG > 130 Wh/(Km²)


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Die wirksame Speicherfähigkeit wird in J/kgK angegeben:

STOFF J/KgK

Anorganische Bau- und Dämmstoffe 1000 Holz- und Holzwerkstoffe 2100 Pflanzliche Fasern 1300 Schaumkunststoffe, Kunstfasern 1500 Aluminium 0800 Metalle 0400 Luft 1000 Wasser 4200 . Die spezifische Wärmespeicherfähigkeit wird dagegen in Wh/m3 K erfasst, um sie als rechnerische Größe in den energetischen Rechenprozess integrieren zu können. Es müßen zwei Berechnungsschritte durchgeführt werden:

1. Umrechnung von J in Wh Physikalische Beziehung: 1 J = 1 WS Folgende Umrechnungen sind möglich: 1 J = 0,00028 Wh 1 KJ = 0,28 Wh

1 Wh = 3,6 Kilojoule

2. Umrechnung von kg in m3 durch Einbezug des spezifischen Gewichtes des Baustoffes (Beton 2400 kg/m3). 3. Umrechnung von kg in m3 durch Einbezug des spezifischen Gewichtes des Baustoffes (Beton 2400 kg/m3). Daraus folgt: 0,280 Wh/kgK * 2400 kg/m3 = 672 Wh/m3K

4. Für Speicherung und Entladungsprozesse im Zusammenhang mit klimatisch bedingten energetischen Prozessen kann lediglich eine Schichtdicke von 10 cm herangezogen werden. 672 Wh/m3K * 0,1 m = 67,2 Wh/m2K Beton kann 67,2 Wh Energie aufnehmen und erwärmt sich dabei um 1 K.


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Nachweispflicht Die DIN 4108-2 verlangt ab einem Fensterflächenanteil von 10 % bezogen auf die Grundfläche eines Raumes des Nachweis des sommerlichen Wärmeschutzes bzw. die Einhaltung von Mindeststandards. Damit muss praktisch jeder Raum überprüft werden. Zur Überprüfung müssen zwei Werte ermittelt werden: 1. Der Sonneneintragskennwert wird aufgrund der baulichen Gegebenheiten ermittelt 2. Der zulässige Grenzwert wird aufgrund einer Checkliste ermittelt, in der die baulichen

Gegebenheiten differenziert berücksichtigt werden. Zulässige Werte des auf die Grundfläche bezogenen Fensterflächenanteils, unterhalb dessen auf einen sommerlichen Wärmeschutznachweis verzichtet werden kann

Anmerkung: Den angegebenen Fensterflächenanteilen liegen Klimawerte der Klimaregion B nach DIN V 4108-6 zugrunde. a Der Fensterflächenanteil fAG ergibt sich aus dem Verhältnis der Fensterfläche zu der Grundfläche

des betrachteten Raumes oder der Raumgruppe. Sind beim betrachteten Raum bzw. der Raumgruppe mehreren Fassaden oder z.B. Erker vorhanden, ist fAG aus der Summe aller Fensterflächen zur Grundfläche zu berechnen.

b Sind beim betrachteten Raum mehrere Orientierungen mit Fenster vorhanden, ist der kleinere

Grenzwert für fAG bestimmend.


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Methode Der sommerliche Mindestwärmeschutz wird durch Vergleich der Werte - vorhandener Sonneneintragskennwert - zulässiger Sonneneintragskennwert ermittelt. Der vorhandene Sonneneintragskennwert muß kleiner sein als der zulässige Wert.

Vorhandener Sonneneintragskennwert s vorhanden Aufgrund der baulichen Gegebenheiten wird zunächst der Sonneneintragskennwert ermittelt.

Hierfür werden folgende Angaben benötigt: Aw die Fensterfläche in m². g der Gesamtenergiedurchlassgrad der Verglasung AG die Nettogrundfläche des Raumes oder des Raumbereichs in m². Fc Abminderungsfaktor des Sonnenschutzes Die Summe erstreckt sich über alle Fenster des Raumes oder des Raumbereiche. Der Sonneneintragskennwert S darf einen maximalen Wert Smax nicht überschreiten.


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Zulässiger Sonneneintragskennwert s zulässig Im zweiten Schritt wird Smax ermittelt, indem die entsprechenden Werte in die Spalten der Tab. 9 DIN 4108-2 eingetragen und anschließend addiert werden.

Tabelle 9 – Anteilige Sonneneintragskennwerte zur Bestimmung des zulässigen

Höchstwertes des Sonneneintragskennwerte2 3 4

Gebäudelage bzw. Bauart, Fensterneigung und Orientierung

Anteiliger

Sonneneintra

gskenn-wert

SX1

Gebäude in Klimaregion A 0,04

Gebäude in Klimaregion B 0,03

Gebäude in Klimaregion C 0,015

2 Bauartb:

leichte Bauart: ohne Nachweis von Cwirk / AG 0,06 fgewc

mittlere Bauart: 50 Wh/(Km²) Cwirk / AG 130 Wh/(Km²) 0,10 fgewc

schwere Bauart: Cwirk / AG > 130 Wh/(Km²) 0,115 fgewc

3

bei mittlererb

und leichterbBauart 0,02

bei schwerer Bauartb 0,03

4 Sonnenschutzverglasunge

mit g 0,4 0,03

Fensterneigung:

0° Neigung 60° ( gegenüber der Horizontalen )

Orientierung:

Nord-, Nordost- und Nordwest-orientierte Fenster soweit die

Neigung gegenüber der Horizontalen > 60° ist sowie Fenster, die

dauernd vom Gebäude selbst verschattet sind

1

Zeile

Klimaregiona:

1.1

1.2

1.3

2.1

2.2

2.3

Erhöhte Nachtlüftungd

während der zweiten Nachthälfte n 1,5 h-1

:

3.1

3.2

5

-0,12 fneigf

6

+0,10 fnordg


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Die in Punkt 1 zu bewertende Klimaregion wird in drei Kategorien eingeteilt. Heiße Regionen – also Region C – erhalten nur eine geringe „Punktzahl“, da hier s-zulässig niederer gehalten werden soll, als in den kälteren Zonen.


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Fc - erforderlich Aufgrund der Bedingung:

und der Formel:

kann nun der erforderliche Fc-Wert ausgerechnet werden:

Der Fc- Wert gibt an, welcher Sonnenschutz mindestens installiert werden muss, damit die Anforderungen an den sommerlichen Wärmeschutz eingehalten werden.

Weitere Parameter Zur Berechnung des Wertes „S-zulässig“ sind noch weitere kleinere Nebenrechnungen auszuführen, bevor der Wert endgültig ermittelt werden kann:

- cwirk (Siehe Seite 4)

- fgew (Siehe Legende Seite 15)

- fneig (Siehe Legende Seite 15)

- fnord (Siehe Legende Seite 15) Die Berechnung dieser Hilfswerte muss immer vorrangig durchgeführt werden.

Tabelle 8 – Anhaltswerte für Abminderungsfaktoren FC von fest installierten

SonnenschutzvorrichtungenSonnenschutzvorrichtung FC

1 Ohne Sonnenschutzvorrichtung 1

2

2.1 weiß oder reflektierende Oberfläche mit geringer Transparenz 0,75

2.2 helle Farben oder geringe Transparenzc 0,8

2.3 dunkle Farbe oder höhere Transparenz 0,9

3 Außenliegend

3.1 Drehbare Lamellen, hinterlüftet 0,25

3.2 Jalousien und Stoffe mit geringer Transparenzc, hinterlüftet 0,25

3.3 Jalousien, allgemein 0,4

3.4 Rollläden, Fensterläden 0,3

3.5 Vordächer, Loggien, freistehende Lamellend 0,5

3.6 Markisend, oben und seitlich ventiliert 0,4

3.7 Markisend, allgemein 0,5

der Abdeckwinkel 80° erforderlich.

erfolgt. Dies ist der Fall, wenn

- bei Südorientierung der Abdeckwinkel 50° ist;

- bei Ost- oder Westorientierung der Abdeckwinkel 85° oder 115° ist.

Zu den jeweiligen Orientierung gehören Winkelbereiche von 22,5°. Bei Zwischenorientierungen ist

bFür innen und zwischen den Scheiben liegende Sonnenschutzvorrichtungen ist eine genaue

Ermittlung zu empfehlen, da sich erheblich günstigere Werte ergeben können.c

Eine Transparenz der Sonnenschutzvorrichtung unter 15 % gilt als gering.d

Dabei muss näherungsweise sichergestellt sein, dass keine direkte Besonnung des Fensters

Zeile

Innenliegend oder zwischen den Scheibenb:

aDie Sonnenschutzvorrichtung muss fest installiert sein. Übliche dekorative Vorhänge gelten nicht

als Sonnenschutzvorrichtung.


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Abschätzung der Kühllast VDI 2078 Relativ genau kann der Wärmeeintrag über eine Einzelbetrachtung der einzelnen Einfußfaktoren bewertet werden. Die Erwärmung wird durch folgende Einflüsse bestimmt: Äußere Wärmelast

- Wärmeeintrag durch Sonneneintrag durch Fenster (nicht speichernde Außenflächen

- Wärmeeintrag durch Außenluftwechsel

- Wärmeeintrag durch Transmission (speichernde Außenflächen)

- Wärmeeintrag durch Transmission (nicht speichernde Außenflächen / Fenster) Innere Wärmelast

- Wärmeeintrag durch Personen

- Wärmeeintrag durch Maschinen

- Wärmeeintrag durch Beleuchtung

- Wärmeeintrag durch aus Nachbarräumen über Innenwände einströmende Wärme (Luftaustausch)

- Wärmeeintrag durch Transmission aus wärmeren Gebäudezonen Die Zeiten für die Raumkühllastmaxima der einzelnen Wärmequellen sind im Allgemeinen unter-schiedlich. Die maximale Gebäudekühllast ist definiert als Maximum aller zeitgleichen Raumkühllasten und nicht als Summe der Raumkühllastmaxima. In der VDI 2078 werden „Momentaufnahmen“ von der Kühllast berechnet. In vorliegender Aufstellung sind Wärmeeinträge durch freie Lüftung nicht enthalten, da es sich hierbei um die Kühllast bei einem klimatisierten Gebäude handelt. Kühllast ist das Maximum aus der Summe aller zeitgleichen Raumkühllasten nicht als Summe aller Raumkühllastmaxima.

Abb. Zusammenfassende Darstellung der Einzelfaktoren bei der Kühlastberechnung nach VDI 2078


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Simulation Optimal kann durch Simulation das thermische Verhalten eines Gebäudes beurteilt werden. Unter vorgegebenen Rahmenbedingungen wird die Temperaturentwicklung in einem Raum oder einer Raumzone dargestellt. Folgende Fragen müssen gestellt werden, damit darüber entschieden werden kann, ob und in welchem Umfang mechanisch gekühlt werden muss: - An wie viel Stunden wird die Temperatur von 26 Grad überschritten - Welche Maximaltemperatur wird erreicht Die Simulation zeigt bei einem Raum mit normalem Glasanteil (40 % bezogen auf die Nettogrundrissfläche) in der oberen Grafik, dass in der Zeit vom 9.7. – 17.7. die Raumtemperatur von 26 Grad sehr häufig überschritten wird, wenn lediglich ein innen liegender Sonnenschutz installiert wird. Wird ein außen liegender Sonnenschutz installiert, ist das Raumklima unproblematisch.


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Energieeinsparverordnung Anforderung sommerlicher Wärmeschutz In der seit 1.10.2009 geltenden EnEV muss der Nachweis des sommerlichen Wärmeschutzes immer durchgeführt werden. Bei Wohngebäuden müssen die Bedingungen laut Anlage 1 Nr.2.9 eingehalten werden, bei Nichtwohngebäuden laut Anlage 2 Nr. 4. Bei Nichtwohngebäuden wird der Planer im Vorfeld prüfen müssen, ob trotz oder wegen baulicher Maßnahmen eine Kühlung erforderlich ist. Der dadurch verursachte Energiebedarf wird dann bei der Gesamtbilanzierung nach DIN 18599 berücksichtigt.


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Beispiel Führen Sie den Nachweis für den sommerlichen Wärmeschutz bei dem dargestellten Beispiel durch. Alle Außenwandbauteile bestehen aus 1 cm Putz, 20 cm Kalksandstein (1600 kg/m3) und 12 cm Wärmedämmverbundsystem. Die Decke ist mit Akustikplatten verkleidet (Lochplatten / Dämmung). Der Fußboden besteht aus 2 cm Parkett auf 5 cm Estrich und Trittschalldämmung. Die Innenwand besteht aus 10 cm Kalksandstein (1600 kg/m3) mit 1 cm Putz.


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Fragen

Welcher minimale Wert S zul ist im dargestellten Übungsbeispiel unter Ausschöpfung aller baulichen Möglichkeiten erreichbar. Berechnen Sie die spezifische Wärmekapazität bei folgendem Wandbauteil mit 100 m2 Fläche Der Aufbau von innen nach außen: - Gipsputz 2 cm - Poroton T 8 – 36, 5 cm - Dämmputz 4 cm Beschreiben Sie mögliche Wärmeeinträge im Sommer in gegliederter Form . Durch welche bauliche Maßnahmen können Wärmeeinträge reduziert werden ? Wird der Nachweis des sommerlichen Mindestwärmeschutzes raumweise oder bezogen auf das ganze Gebäude durchgeführt ? Welchen Vorteil bietet eine thermische Simulation im Vergleich zur Kühllastberechnung nach VDI ? Erläutern Sie den Begriff „g-total“. Welcher minimale Wert von g-total ist erreichbar, wenn der Tageslichtdurchgang mindestens 70 % betragen soll ? Wie definieren Sie die Begriffe „Heizlast“ und „Kühllast“ ? Suchen Sie aus entsprechenden Produktkatalogen eine Verglasung aus bei der das Verhältnis Lichtdurchgang / Energiedurchgang (= Selektivität) größer als 2 ist.

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