Technische Gebäudeausrüstung Integrale Lösungsansätze aus ... · Technische Gebäudeausrüstung...

Technische Gebäudeausrüstung / Integrale Lösungsansätze

1

Wolfgang Klein

Vorstand

Brendel Ingenieure AG

Technische Gebäudeausrüstung

Integrale Lösungsansätze aus der Praxis

Fassade, Konstruktion, Gebäudetechnik, Nutzer


2

Einflußfaktoren auf das Technikkonzept

TechnischesKonzept

Ökonomie/Ökologie

ThermischeBehaglichkeit

Visuelle Behaglichkeit

Kunstlicht

Innere LastenComputer..

Personen-belegung

Bau-konstruktion

Fassade/Verglasung/

Sonnenschutz

Nutzung/ Nutzungszeit


3

Helvetia Versicherung Tetragon Flughafen Frankfurt

Projekte


4

Kühllasten

Äußere Lasten Innere Lasten

15-50

10

8

10


5


TechnischesKonzept

Ökonomie/Ökologie



Kunstlicht


Personen-belegung

Bau-konstruktion

Fassade/Verglasung/

Sonnenschutz



6

Thermische Behaglichkeit ?


7

Thermische Behaglichkeit in Gebäuden

Person die mit der Temperatur, Feuchte und Luftbewegung in ihrer Umgebung zufrieden ist und weder wärmere noch kältere, weder trockenere noch feuchtere Raumluft wünscht.

Mensch:

Bekleidung,

Aktivitätsgrad,

Aufenthaltsdauer

Thermische

BehaglichkeitRaum:

Temperatur

Umschlie-

ßungsflächen

RLT-

Anlage:

Lufttemperatur,

Geschwindigkeit,

Luftfeuchte


8

Leistungsfähigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur

0102030405060708090

100

16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33

Effektivtemperatur (°C)

Leis

tung

(%)

Nach Hasse, Ehrismann, Lehmann, Szakall und Mackwoth.(Quelle: Hettinger Th., Kaminski G. und Schmale H. :“Ergonomie am Arbeitsplatz“)

Raumtemperatur und Leistungsfähigkeit


9

Operative Raumtemperatur DIN 1946, T 2, für klimatisierte Räume

Außentemperatur (° C)

oper

ativ

e R

aum

tem

pera

tur (

°C

)Toleranzbereich für kurze Überschreitung

Bandbreite der Sollwerte

Raumtemperaturen Büro gemäß ASR 6Sommer: 26 ° C „soll in Arbeitsräumen nicht übersteigen“Winter: 20 ° C „muß mindestens betragen“

Üblicher Sollwert für Klimaanlagen


10

Behaglichkeit nach ISO 7730

PPD = Predicted Percentage of Dissatified.Vorhergesagter Prozentsatz der thermisch unzufriedenen Personen

Behaglichkeit nach DIN ISO:

-0,5<PMV<0,5

PPD < 10%

Isolationswert der Bekleidung

Energieumsatz des Menschen

mittlere Lufttemperatur

mittlere Strahlungstemperatur

Luftgeschwindigkeit

Relative Luftfeuchte

Iterative Berechnung des PMV-Index

(-3 ... 0 ... +3) nach EN ISO 7730:

Quelle: Fanger


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Temperatur „Die 26°C Rechtsprechung“

-Urteil erging im Jahrhundertsommer 2003 vom LG Bielefeld

-Gericht leitet aus den arbeitsschutzrechtlichen Bestimmungenstrikt einzuhaltende Temperaturgrenzwerte ab

-Viele Büro- und Verwaltungsgebäude halten diese Werte nicht ein

-Erhebliche Unruhe in der Immobilienbranche

-Nachhaltige Konzepte wie Nachtauskühlung können die gefordertenTemperaturen nicht in jedem Fall sicherstellen, Anlagen zur maschinellenKühlung werden beinahe zwingend.


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LANDGERICHT BIELEFELD

IM NAMEN DES VOLKES

URTEIL

Die Beklagte wird verurteilt, in den Büroräumlichkeiten der Kläger ...

...zu gewährleisten, dass bei einer Außentemperatur von bis zu 32°C die Innentemperatur 26°C nicht übersteigt und bei höheren Temperaturen die Innentemperatur mindestens 6 °C unter der Außentemperatur liegt.


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Die Einhaltung der raumklimatischen Voraussetzungen...sind auch ohne ausdrückliche vertragliche Abrede Gegenstand der Gebrauchstauglichkeit...

ohne Einhaltung des Arbeitsschutzes ist eine bestimmungsgemäße Nutzung nicht zulässig, die Gebrauchstauglichkeit demzufolge erheblich beeinträchtigt....

Hierzu ist ergänzend die DIN 1946 für raumlufttechnische Anlagen heranzuziehen...

Nächtliches Lüften ist aufgrund der damit verbundenen Risiken auf Dauer für den Mieter unzumutbar.

Die Nichteinhaltung der Arbeitsschutzbestimmungen stellt auch imKonkreten ein Mangel dar...


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� Was wird aus dem Klimaschutzzielen?

� DIN 1946 für klimatisierte Räume, nicht für freie Lüftung

� Gerichte stützen sich auf DIN 1946, Bielefelder Urteilsogar auf die alte DIN von 1960.

� ASR hat keine Korrelation zwischen Außentemperatur und max. Innentemperatur

� Maßnahmen:

- Wärmeeinträge durch innere Lasten und Einstrahlung minimieren- Guter außenliegender Sonnenschutz- Fensteranteile reduzieren ca. 40% der Fassadenfläche- Thermoaktive Decken (geringe Investitionskosten und Betriebskosten)- Lüftungsanlage mit mindest Luftwechsel


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Messe Frankfurt Architekt: NGP Nicholas Grimshaw & Partner, London

Kurzbeschreibung: Neubau eines Logistik- und Bürogebäudes,BGF 15 500 m², Städtische Küchen(9000-12000 Fertiggerichte),Bankett-Küche (bis 3000 Essen/Speisen) und Mitarbeiter-Restaurant (650 Gerichte).

Fensterfläche ~ 50%


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Normalraum im Regelgeschoss, LW 2fach, keine Kühldecke, Fenster zu öffnen, TR,max ~ 29°C

Ausrichtung von Gebäude

N

15

17

19

21

23

25

27

29

31

33

35

10 15 20 25 30Außenlufttemperatur

Rau

mlu

fttem

pera

tur



17

Kombination aller Varianten:

� Fensterlüftung

� erweiterte RLT- Betriebszeiten

(Nachtlüftung, Wochenende)

� Variable Raumnutzung

� variable Sonnenschutzsteuerung (Niedrigerer

Schwellwert am WE)

� Kein Kunstlicht bei aktivem Sonnenschutz

� Sonnenschutzverglasung (g 0,58 auf g 0,33)

� Optimierung des Sonnenschutz



18

151617181920212223242526272829303132

5065

5066

5067

5068

5069

5070

5071

5072

5073

5074

5075

5076

5077

5078

5079

5080

5081

5082

5083

5084

5085

5086

5087

5088 Std

T [°C]

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24rel. F.[%]

151617181920212223242526272829303132

5065

5066

5067

5068

5069

5070

5071

5072

5073

5074

5075

5076

5077

5078

5079

5080

5081

5082

5083

5084

5085

5086

5087

5088 Std

T [°C]

0.00

0.10

0.20

0.30

0.40

0.50

0.60

0.70

0.80

0.90

1.00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24rel. F.[%]

TAU [C]T - RaumrH - R [%]

Morgenlüftung über RLT

tRLmax ~ 29, °C

Detailbetrachtung eines heißen Sommertages (Mittwoch, 31.Juli)

Kombination aller betrachteten Möglichkeiten

Nutzungszeit

Raumlufttemp.

Rel. Raumfeuchte

tRLmax = 26,6 °C

Senkung des allgemeinen Temperaturniveaus im Sommer um ca. 3 K


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Temperaturniveau

Zusammenfassung:

� ASR 26 °C „soll“

� DIN 27 °C „nur für RLT-Anlagen“

� Gerichts Urteile

� Nutzeranforderungen oft hochwertiger:

-Mieter aus dem angelsächsischen RaumAnwälte, Wirtschaftsprüfer...

-Häufiger Wunsch max. Raumtemperatur 24°C


20


TechnischesKonzept

Ökonomie/Ökologie



Kunstlicht


Personen-belegung

Bau-konstruktion

Fassade/Verglasung/

Sonnenschutz



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Kunstlicht / Beleuchtung

Arbeitsbereichsbezogene BeleuchtungDIN 5035-7:2003

Für Räume mit bekannter Zuordnungder Arbeitsbereiche.

Umgebungsbereich Raum 300 lx g=0,5Arbeitsbereich Schrank 175 lx g=0,5Arbeitsbereich 500 lx g=0,6Wartungsfaktor: 0,67

Raumbezogene BeleuchtungDIN 5035-7:2003

Räume mit durchgängig gleichenSehbedingungen oder: -Zuordnung der Arbeitsbereiche unbekannt -Arbeitsbereich flexibel

Grundfläche Raum 500 lx g=0,6Arbeitsbereich Schrank 175 lx g=0,5Wartungsfaktor: 0,67

ASR 7/3 BüroräumeDIN 5035-7 :2003

Tageslichtorientierte Arbeitsplätze in Fensternähe

Nennbeleuchtungsstärke 300 lx

Normal Büroraum

Nennbeleuchtungsstärke 500 lx

mitgeltend DIN 5035 Teil 2 ,1979 Wartungsfaktor 0,8


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Visuelle Behaglichkeit / Beleuchtung

Anschlussleistungen Watt pro qm für Hochleistungsleuchtmittel

5

10

15

20

25

DIN 5035/ 2003 DIN 5035/ 1979

[W/m²]

Raumbe

zoge

nArbe

itsbe

reich

Tages

lichtor

ientie

rt


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TechnischesKonzept

Ökonomie/Ökologie



Kunstlicht


Personen-belegung

Bau-konstruktion

Fassade/Verglasung/

Sonnenschutz



24

Innere Lasten / EDV

1. Sony Laptop, Notebook, Pentium 4 Prozessor... 30 W2. Standard PC Station Pentium 2, Röhrenmonitor 17“ (68 W) 100 W3. Standard PC Station AMD Prozessor, Röhrenmonitor 19“ (78 W) 145 W4. Vorgabe VDI 2078 SW Bildschirm (130-160W) 145 W5. Vorgabe VDI 2078 bunt Bildschirm (200-250W) 225 W6. Vorgabe VDI 2078 Terminals 75 W7. Vorgabe VDI 2078 Drucker 40 W

Messung BI, Jun. 03

W/m² bei 10 m²/Pers.

0

5

10

15

20

25

1 2 3 4 5 6 7

W/m² bei 10 m²/Pers.

Kühllast / EDV


25


TechnischesKonzept

Ökonomie/Ökologie



Kunstlicht


Personen-belegung

Bau-konstruktion

Fassade/Verglasung/

Sonnenschutz



26

Personenbelegung / Belegungsdichte

Wärmeabgabe des Menschen

Wärmeabgabe des normal bekleideten Menschen ohnekörperliche Tätigkeit bei ruhender Luft

Ergebnis: Gemäß ASR bei 8-10 m²/Pers = ca. 8 - 10 W/ m²


27


TechnischesKonzept

Ökonomie/Ökologie



Kunstlicht


Personen-belegung

Bau-konstruktion

Fassade/Verglasung/

Sonnenschutz



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Nutzung / Nutzungszeit

8 Uhr 17 Uhr

9 Uhr 21 Uhr

Nutzungszeit

Nutzung

Büro, Konferenz, Läden...

Dichte der Belegung: Chefbüro.....Schulungsraum

Beisp. 3 Achser (25m²) : 1 Pers.: Qi = 425 Watt3 Pers.: Qi = 770 Watt 80 % höhere Innenlast


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TechnischesKonzept

Ökonomie/Ökologie



Kunstlicht


Personen-belegung

Bau-konstruktion

Fassade/Verglasung/

Sonnenschutz



30

Kühllasten

Äußere Lasten Innere Lasten

10 W/m²

8 W/m²

10–16 W/m²

?

? W/m²

Äußere Lasten


31

Kühllasten Orientierung Süd

Spezifische Kühllast W/m²190

177

138

89

72

5347

41

141

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Variante 1 Variante 3 Variante 2 Variante 4 Variante 5 Variante 6 Variante 7 Variante 8 Variante 9

Interne Last spezifisch

Standard Isoglas g = 0,8

Thermoplus WSG g = 0,58

Infrastop SSG 66/33

Infrastop SSG 50/25


32

Kühllasten Orientierung Nord

Spezifische Kühllast W/m²

6156 55

4741 40 40 39

58

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Variante 1 Variante 3 Variante 2 Variante 4 Variante 5 Variante 6 Variante 7 Variante 8 Variante 9

Interne Last spezifisch

Standard Isoglas g = 0,8

Thermoplus WSG g = 0,58

Infrastop SSG 66/33

Infrastop SSG 50/25


33

Gesamtenergiedurchlassgradg-Wert

Erreichbare Werte / Beispiele:Pilkington infrastop 50/25g= 15-17 %(Lamelle weiß, zu)g= 20-21 %(Lamelle weiß, Cut Off)

Pilkington infrastop 66/33g= 0,05 - 0,09 % (Lamelle weiß)

Der g-Wert besteht aus zwei Anteilen, dem transmittierten Strahlungsanteil und dem Anteil der absorbierten Strahlung, der als superponierter Wärmegewinn in den Innenraum gelangt. Der gesamte Wärmestrom setzt sich aus diesem Anteil und einem aus etwaigen Temperatur-unterschieden zwischen Innenraum und Außenraum zusammen. Der gemessene Gesamtenergiedurchlassgrad berücksichtigt somit alle Einflussgrößen.


34

Strahlung / Temperatur

Tagesverlauf - Strahlung auf die Vertikale

151719212325272931

Gesamtstrahlung Juli

0

100

200

300

400

500

600

700

800

0 6 12 18 24[h]

[W/m²]

OSWN

°C


35

Diskussion:

Welchen Einfluß hat die Außentemperatur auf die Kühllast bei Glasfassaden?

Temperatur: Q = A • U • ∆ t mit ∆ t = 6K; U= 1 W/m²K

=> 6 W/m²

Strahlung: Qsm=600 W/m² mit g=0,1

=> 60 W/m²

Strahlung / Temperatur


36


TechnischesKonzept

Ökonomie/Ökologie



Kunstlicht


Personen-belegung

Bau-konstruktion

Fassade/Verglasung/

Sonnenschutz



37

Baukonstruktion

- Betonskelettbau

- Innenausbau hohe Variabilität / Leichtbau

- Doppelböden für Installationen

- Abhangdecken für Installationen

- Keine massive Brüstung (z.B. Vollglasfassade)

Geringe speichernde Massen +Isolierung der speichernden Massen

- Wärmemenge: Q = m • c • ∆t

- Führt zu schnell ansteigenden Innentemperaturen


38

Baukonstruktion

Q = 1000 kJ = 1000 kWs ≈ 277,8 Wh pro m² BetondeckenflächeLeistung über 8 h ~ 35 Watt

Beispiel Betondecke:

Temperaturerhöhung 2 K aufgrund der Wärmespeicherung über die Betriebszeit

1 m2

0,25 m

δ Beton = 2 kg / dm3

c Beton = 1 kJ / kgK

[J = Ws]


39


TechnischesKonzept

Ökonomie/Ökologie



Kunstlicht


Personen-belegung

Bau-konstruktion

Fassade/Verglasung/

Sonnenschutz



40

Ökonomie / Ökologie

Vollglasfassaden:

Investition:

Höhere Heizleistungen Höhere KälteleistungenFassaden – Sprinkler (HH+brennbare Fassade)

Betriebskosten:

+ Heizenergieverbrauch+ Kältearbeit- Beleuchtungsleistung

Wärmeschutz : U Glas ~ 1,0 W/m²K,

U 3Glas ~ 0,5 W/m²K

U Dämmung 10 cm < 0,5 W/m²K


41

Ökonomie / Ökologie

Verglasung: g = 0,27; τL = 0,51

Verglasung und Sonnenschutz: gtotal = 0,20

15 % höhere Heizenergieverbrauch, 6 % höhere Kälteenergieverbrauch

Fensteranteil 60 %


42

Helvetia Versicherung Frankfurt

� BGF ca. 7500 m²

� Heizung über Bauteilaktivierung als Dreileitersystem

� Kühlung über Bauteilaktivierung als Dreileitersystem

� Luftwechsel 1,5 fach, mech. Lüftung

� Lüftungsrohre (Abluft) in Beton eingelegt

� Fenster öffenbar

� Dreifachverglasung

� Brandschutzklappenfrei


43



44

Fassade Helvetia

Fassade Typ 1 Glas:

g-Wert: 34%

U-Wert: ca. 0,5 W/m²K

Gesamtkonstruktion:

U-Wert: < 0,9 W/m²K auf projizierte Fläche

Fassade Typ 2Glas:

g-Wert: 34%

U-Wert: ca. 0,5 W/m²K

Gesamtkonstruktion:

U-Wert: < 0,9 W/m²K


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Zielgrößen für die Bürobereiche

� Heizenergieverbrauch Zielwert 30 kWh/m²a (Niedrigenergiestandard)

� Natürliche Fensterlüftung

� Verzicht auf eine Vollklimaanlage

� Minimallüftung mit hocheffizienter Wärmerückgewinnung (LW 1,5-fach)

� Ankopplung von Bauteilmassen zur Kühlung/Heizung

� Aktiv Kühlen und Heizen am gleichen Tag verboten



46


� Hochwertige Wärme- und Feuchte Rückgewinnung

-Rotationswärmetauscher (η=0,65-0,75)

� Niedriger Elektroenergiebedarf

-Tageslichtnutzung, automatische Lichtsteuerung

-Niedrige Beleuchtungsleistung ca. 11 W/m², T5 Lampen...

-Lüftungsanlage Druckverlust < 1200 Pa, niedrige Förderleistung

-Effiziente Kälteerzeugung + Nachtkühlung mit freier Kühlung

-Energiesparende Computer und Arbeitsgeräte



47

Energieverbrauch für die Bürobereiche


0,00

60,00

120,00

1 2 3

Messung Zielwert Standardgebäude

kWh/m²a kWh/m²a kWh/m²a

[kW

h/m

²a]

kle:

Bei: 1kWh Öl = 0,05 €

Srtrom= 0,1 €

Helvetia: ca 6 €/m²a

Standard ca. 10 €/m²a

kle:

Bei: 1kWh Öl = 0,05 €

Srtrom= 0,1 €

Helvetia: ca 6 €/m²a

Standard ca. 10 €/m²a


48

Technik Installation


49

Technik Schnitt Helvetia

Dreileitersystem:zwei Vorlauftemperaturen1,5-facher Luftwechsel

Abluft in Betondecke

Fensterlüftung

NORD SÜD


50


SommerTRaum =26 °Cqgesamt = ~ 35-40 W/m²

WinterTRaum =20 °Cqgesamt =25~30 W/m²

VL ~ 19°C / RL ~ 21 °C VL ~ 27°C / RL ~ 25 °C

q = 5 W/m²q = 23 W/m²

q = 6 W/m²q = 31 W/m²

V1 V2 R

Vorlauf

Rücklauf


51

Technik Installation / Funktion und Aufbau der Thermo Aktiven Decken

Vorteil: ° Zeitverschiebung zwischen Kälteerzeugung und Lastanfall

° Kapazität der Kälteerzeugung verringern- Lastspitzen puffern- Tagbetrieb RLT- Kühlung / Nachtbetrieb TAD

° Kälteerzeugung in Nachtzeiten verlegen- höhere Leistungszahl- freie Kühlung effektiver

Käl

tele

istu

ng

Zeit 0 8 16 24

Leistung ohne Bauteilaktivierung

Tagesgang Kälteleistung Sommer


52

Raumlufttemperaturverlauf bei verschiedenen Abwurfzeiten TAD-System

Zur Berechnung wurde ein „extremer“ Sommertag aus dem Testreferenzjahr (Stunde 5065 bis 5088) für einen vierwöchigen Zeitraum berechnet



53

Flughafen Frankfurt a.M.

� BGF ca. 55.000 m² oberirdisch+ BGF ca. 40.000m² unterirdisch

� Heizung über Bauteilaktivierungals Dreileitersystem

� Kühlung über Bauteilaktivierungals Dreileitersystem

� Luftwechsel 1,5 fach, mechanischeLüftung über Erdkollektor

� Vollflächige Sprinklertechnik


� Dreifachverglasung

� Atrien Isolierverglasung


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SommerTRaum =26 °Cqgesamt = ~ 35-40 W/m²

WinterTRaum =20 °Cqgesamt =25~30 W/m²

VL ~ 19°C / RL ~ 21 °C VL ~ 27°C / RL ~ 25 °C

q = 5 W/m²q = 23 W/m²

q = 6 W/m²q = 31 W/m²

V1 V2 R

Vorlauf

Rücklauf


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g=0,6/0,6U=1,4 W/m²K

g=0,6/0,12U=1,4 W/m²K

g=0,48/0,075U=1,0 W/m²K


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57



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� Heizenergieverbrauch Zielwert 30 kWh/m² (Niedrigenergiestandard)

� Natürliche Fensterlüftung

� Verzicht auf eine Vollklimaanlage

� Minimallüftung mit hocheffizienter Wärmerückgewinnung (LW 1,5-fach)

� Ankopplung von Bauteilmassen zur Kühlung/Heizung

� Aktiv Kühlen und Heizen am gleichen Tag verboten



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� Hochwertige Wärme- und Feuchte Rückgewinnung

Rotationswärmetauscher (η=0,65-0,75)

� Niedriger Elektroenergiebedarf

-Tageslichtnutzung, automatische Lichtsteuerung

-Niedrige Beleuchtungsleistung ca. 11 W/m², T5 Lampen...

-Lüftungsanlage Druckverlust < 1200 Pa, niedrige Förderleistung

-Effiziente Kälteerzeugung + Nachtkühlung mit freier Kühlung

-Energiesparende Computer und Arbeitsgeräte



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� Verlängerter Ansaug über Betonkanal unter der Bodenplatte

-Erdwärmenutzung

� Glasatrien als Puffer im Winter (unbeheizt, nat. belüftet)

� Zusatzkühlung, Zusatzheizung der Eckräume

� Option der Zusatzkühlung der Büroräume zu den Süd-Atrien

� 4-fach Verglasung an den Außenbauteilen, 2-fach Verglasung zum Atrium

� Regenwassernutzung



61

Öffnungen Fassade Nord und West: Je 12 m² Öffnungsfläche

Dachöffnungen: Freier Abluftquerschnitt 37 m²



62

Tem

pera

tur i

n °C

43,85

42,85

40,85

39,85

38,85

36,85

35,85

33,85

32,85

31,85

29,85





63

Ges

chw

indi

gkei

t in

m/s





64

Tetragon Frankfurt a. M.

� BGF oberirdisch 3500 m2

� Hochhausrichtlinie

� Heiz-/Kühlkonvektoren an der Fassade

� Betondecke / Speichermasse frei zugänglich

� 1,5 facher Luftwechsel

� keine Be- und Entfeuchtung

� Vollflächige Sprinklertechnik


� Glas g=0,25 , innenliegender Sonneschutz

� Glas u. Sonnenschutz gges. = 0,17


65


Kühlen / Heizen


66


A ~ 92 W/m2

B ~ 50 W/m2

Externe Kühllast:

B

A SÜD

-WES

T


67


Ansichten Fassade:


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Innenansichten Fassade:


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Innenansichten Fassade Staffelgeschoss:

außenliegender Sonnenschutz

Fassadenheizung


70

Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit

Technische Gebäudeausrüstung Integrale Lösungsansätze aus ... · Technische Gebäudeausrüstung...

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