Wärmeschutz in Gebäuden

Dr.-Ing. Wolfgang Reichel

Dr.-Ing. Dipl.-Kfm. Heiko Timmer

Guten Tag.

Wärmeschutz in Gebäuden

Senior-Partner

• Beratender Ingenieur der Ingenieurkammer Bau NRW

• Mitglied im VBI

• Studium und Promotion an der TU Dresden– Kältetechnik

• Berufserfahrung seit 1980

• Bei ITR seit 01.07.1982

• Geschäftsführender Gesellschafter bis 28. Februar 2018

• Mitglied Richtlinienausschuss VDI 3803-1 „Zentrale RLT-Anlagen“

• Ehem. Mitglied VBI Arbeitskreis Gebäudehülle

• Ehem. Mitglied Richtlinienausschuss VDI 6026

• Diverse Patente und Gebrauchsmuster

• Veröffentlichungen: http://www.itr-haan.de/unternehmen/publikationen/

Dr.-Ing.

Wolfgang Reichel

Forschung & Entwicklung, Veröffentlichungen,

Beratung

Geschäftsführender Gesellschafter

• Beratender Ingenieur der Ingenieurkammer Bau NRW• Mitglied im VBI und VDI• Studium und Promotion an der RWTH Aachen

– Maschinenbau: Energietechnik– BWL: Controlling, Technologie- und Innovationsmanagement

• Berufserfahrung seit März 1999• Bei ITR seit 01.01.2003• REHVA Young Researcher Award 2008• Ehem. Mitglied im Koordinierungskreis Gebäudeenergetik der VDI-Gesellschaft

Bauen und Gebäudetechnik (VDI-GBG)• Ehem. Mitglied Richtlinienausschuss VDI 3922 „Energieberatung“• Ehem. Mitglied des Beirats im VDI-TGA• Ehem. Mitglied des Fachbeirats TGA der VDI-GBG• Ehem. Dozent IREBS Immobilienakademie Universität Regensburg: „Technische

Immobilienplanung und Nachhaltigkeit“• Ehem. Dozent Fachhochschule Münster: „Facilities Economics“• Veröffentlichungen: http://www.itr-haan.de/unternehmen/publikationen/

Dr.-Ing. Dipl.-Kfm.

Heiko Timmer

kaufmännische und strategische Führung

Ingenieurbüro Timmer Reichel GmbH

Beratende Ingenieure, Sachverständige und Generalplaner seit 1955

Mitgliedschaften: Ingenieurkammer Bau NRW . VBI . VDI

Ohligser Straße 37 Telefon 02129. 9377-0

42781 Haan Telefax 02129. 32033

www.itr-haan.de info@itr-haan.de

Unsere Fachgebiete und Leistungen mit eigenen MitarbeiternC

on

sult

ing

Technische Gesamtplanung

Generalplanung für Revitalisierungen und Energiezentralen

Projektsteuerung technisch anspruchsvoller Bauvorhaben

TGA-E

Architektur:Objektplanung

Gebäude &Raumbildender

Ausbau

TGA-MWärmeschutz und Energie-bilanzierung

BauakustikRaumakustik

In 2019 bearbeiten wir:

• Revitalisierung und Neubauten der Malteser Kliniken Rhein-Ruhr in Duisburg-Huckingen, Duisburg-Homberg und Krefeld

• Kernsanierung und Neubau Polizeipräsidium Hagen• Revitalisierung und Erweiterung MAIN PARK in Offenbach• Schadstoffsanierung Justizvollzugsanstalt Geldern• Netzersatzversorgung 3M Neuss• Oberflächenzentrum für die Hochschule Niederrhein• Forschungsneubau THINK für die Ruhr-Universität Bochum• Kernsanierung der Gebäude M, V15-R und V15-S der Universität Duisburg-Essen• Kältetechnik für das Jülich Supercomputing Centre• Neubau Kantine mit Großküche für die NATO Air Base Geilenkirchen

Weitere Referenzen hier: http://www.itr-haan.de/projekte/

Das Thema

Wärmeschutz in Gebäuden

Überhitzung von meist jungen Gebäuden

• Behaglichkeit

• Das Gebäude und seine Physik

– Außen // Gebäudehülle // Transmission und Insolation

– Innen // innere Lasten

• Beispiele für Planung und Betriebserfahrung

• Techniken zur Nachrüstung von Kühlung

Behaglichkeit

Wärmeschutz in Gebäuden

Behaglichkeit

• MenschAktivitätsgrad, Bekleidung, Konstitution

• RaumStrahlungseigenschaften der Umschließungsflächen, Akustik, Beleuchtung, architektonische Gestaltung

• LuftTemperatur, Bewegung, Feuchte, Reinheit, Geräuschpegel, Gleichmäßigkeit der Strömungs- und Temperaturfelder

Wärmeabgabe des Menschen

Quelle: Dubbel

Mittlere und maximale Außenlufttemperaturenin Deutschland

Quelle: Dubbel

Temperaturen

Effektive Temperatur („gleiche Behaglichkeit“) Empfundene Temperatur („Globustemperatur“)

Quelle: Dubbel

Schwarze Kugel

Thermometer zeigt empfundene Temperatur

( )UmRLUmRLe2

153,047,0 ++=

Richtwerte für die Behaglichkeit

• Raumlufttemperatur– Winter: 20-22°C– Sommer: 22-24°C– Temperaturunterschied zwischen Luft und Umschließungsflächen < 3 K– Strahlungswärmefluss < 20-30 W/m²– Deckenheizung < 35°C– Fußbodenheizung < 29°C, > 17°C

• Luftfeuchte– < 30%: Austrocknung der Schleimhäute, erhöhte Staubbildung, elektrostatische Aufladung von

Kunststoffen– > 70%: Schwitzwasserbildung– Einfluss nimmt mit Lufttemperatur zu

• Luftbewegung ungefähr < 0,2 m/s im Aufenthaltsbereich• Lärm nach DIN 1946, VDI 2058, 2081

Leistungsfähigkeit in Abhängigkeit der Temperatur

Quelle: Fachinstitut Gebäude-Klima e.V.

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itQuelle: schwedische Studie (D. Yon)

Es ist immer jemand unzufrieden.

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Strahlungstemperaturfelder im Bundestag (Bonn)mit Heiz-Kühl-Fassadenelementen (Kühlfall)

Realisierung des zuvor simulierten Bauvorhabens

19/76

Simulation eines gekühlten Glasdachs: Strahlungstemperaturfelder im Kühlfall

Das Gebäude und seine Physik

Wärmeschutz in Gebäuden

Wärmeleitung und Konvektion

( )12Leitung Ad

Q −

=

( )1iKonvektion AQ −=

( )aigesamt AUQ −=

Wärmeleitfähigkeit

Wärmeübergangskoeffizient

Wärmedurchgangskoeffizient

x=

i

a

d d

U

aj j

j

i

1d1

U

1

+

+

=

1 2 3

Kühllast infolge Strahlung

• Fensterglas durchlässig für kurzwellige und undurchlässig für langwellige Strahlung Treibhauseffekt

• Sonnenschutzgläser verringern Wärme- aber auch Lichteinfall, so dass Einsparung durch Notwendigkeit von künstlichem Licht überkompensiert werden kann– Absorptionsgläser: Zusatz von Metalloxiden, dadurch Erwärmung

des Glases und Anstieg der Wärmeabgabe durch Leitung nach innen

– Reflexionsgläser: Metallaufdampfung, starke Lichtschwächung, nicht abriebfest

• Sonnenschutzeinrichtungen– Außenjalousie: Wirksamster Schutz, aber windempfindlich,

reparaturanfällig, Geräusch– Innenjalousie: Ohne obige Probleme und günstiger, aber bei

Verschmutzung wirkungslos

Spektrum des Sonnenlichts

Abb.: Warema

Transmission, Reflexion, Absorption

Abb.: Warema

Transmissionsgrad:Was geht durch?

Reflexionsgrad:Was wird reflektiert?

Absorptionsgrad:Was wird absorbiert?

Summe = 1

Was kommt im Raum an? -> g-Wert

• „g-Wert“ für Verglasung gem. DIN EN 410 / DIN EN 13363-1

• Beispiel:– g=58%

– 800 W/m² Sonnenstrahlung

– Im Raum: 58% x 800 W/m² = 464 W/m²

– Bezogen auf m² Fensterfläche

Abb.: Warema

Sonnenschutz

• „g-Wert“ erweitert um Sonnenschutz = „gtotal“

• AbminderungsfaktorFC=gtotal/g

• Beispiel:

– g=80%

– Sonnenschutz mit FC=0,3

– gtotal=0,3 x 80% = 24%

Abb.: Warema

Mindestwärmeschutz

Mindestwärmeschutz

+

Sonnenschutz

Sonnenschutz

Recknagel/Sprenger/Schramek (2005), S. 1506.

Beleuchtung: Lux, Lumen, Candela

• Lichtstrom: lumen [lm]• Beleuchtungsstärke E: Lux [lx]

– 1 lx = 1 lm/m²

• Lichtstärke I: Candela [cd]– 1 cd = ca. 1 lm/sr

Lichtquelle Lichtausbeute h

Glühlampe 230 V 14 lm/W

Natriumdampf-Lampen 60 … 70 lm/W

Standard-Leuchtstofflampe DN 38 mm 52 lm/W

3-Banden-Leuchtstofflampe DN 26 mm mit elektronischem Vorschaltgerät

95 lm/W

Beleuchtung

• Gesamtenergieeffizienz DIN 18599• Beleuchtungsstärke Anforderung: DIN 5035/EN 12464• Em=500 lux im Arbeitsbereich, sonst 300 lux. Über gesamte Lebensdauer. D.h. höhere

Anfangsleistung muss installiert werden (sonst am Ende nur noch 80%).• Lebensdauer Leuchtmittel ca. 10.000 h, LED 50.000 h• LED Lichtausbeute wie Glühbirne: 30 lm/W (2005) (Vgl.: Röhre 100 lm/W)• Übliche Reflexionsgrade heller Räume: Decke 0,8; Wand 0,7; Boden 0,3.• Mittlere Wärmelast: 10-25 W/m²• Anschlussleistungen Vorschaltgeräte bei 50 W Leuchtmedium: Konventionell (KVG) 71 W;

elektronisch (EVG) 55 W. D.h. Bei EVG 5 W Verlust.• Lichtsensor kann 50% gegenüber EVG+Langfeldleuchte sparen. EVG regelbar: Aufpreis 20-25€.

LED (light emitting diode) und OLED (organic LED)

• Lebensdauer bis 100.000 h

• Zukünftig Lichtausbeute 200 lm/W erwartet (derzeit 100 lm/W)

• Wartungsfaktor zukünftig 0,8 erwartet (derzeit 0,68)

• Reduktion der elektrischen Anschlussleistung von 13 W/m² (konventionell) auf 5 W/m² (LED)

Ebert, Tropp (2010) in cci 09/2010, S. 9 fAbb.: ERCO

Kühllast: Berechnung und Abfuhr

Raumkühllast

Last im Gebäudeinneren

Menschen Einrichtungen

Beleuchtung Maschinen Stoffdurchsatz

sonstige

Last von außen

Wände Fenster

Transmission Strahlung

Bedarf

Raumkühllast

Außenluftwechsel,Luftentfeuchtung

Zuluft kühlenStatische

Kühlflächen

Deckung

Gebäudesimulation nach VDI 2067/10

Vergleich der Berechnungsgüte anhand des Heizenergiebedarfs ohne Lüftung:

• EnEV / DIN 18599: 41 kWh/m²a

• VDI 2067/10:35 kWh/m²a

Kühllast von Büroräumen

• Gesamte Kühllast ca. 59 - 77 W/m²

• Fensterlüftung nicht ausreichend– Max. 30 W/m²

– Bei min. 6 °C außen

• Kühlung erforderlich

• Kälteenergiebedarf in heutigen Gebäuden deutlich größer als Heizenergiebedarf

Ziel der Technischen Gebäudeausrüstung

"Luftqualität"• Hygiene

• Schadstoffe

"Luftzustand"• Temperatur

• Relative Feuchte (%)

Wasser

Luft

38/76

Integrale Energiebilanz

Stoff Spezifische Wärmekapazität cp

in kJ/(kg K)Dichte in kg/m³

Luft 1,0 1,2

Wasser 4,2 1.000

( )einauspcmQ −=

Beispiele für Planung und Betriebserfahrung

Wärmeschutz in Gebäuden

Beispiel: Neubau Polizeipräsidium Mönchengladbach

ASR A3.5 : 2010

Gebäudesimulation nach VDI 2067-10: 5 Räume untersucht

Ergebnis für 2 Büros und 1 Multifunktionsraum

Ergebnis der Simulation

Ergebnis• Sonnenschutz hat starken Einfluss• Anforderungen ASR A3.5

weitestgehend erfüllt• Keine mechanische Kühlung

erforderlich, aber empfohlen• Ausnahme: Multifunktions- und

Schulungsräume

Zentrale Annahmen• Nachtauskühlung über Fenster

oder mechanische Lüftung• Lüftung in den frühen

Morgenstunden• Innere Lasten

– Beleuchtung 15 W/m², 6-19:00– PCs, Drucker: 100 W/Arbeitsplatz– Lüftung

• RLT: 2-facher Luftwechsel• Fenster:

– 6-10:00: 6/h– 10-17:00: 3/h– 17-19:00: 6/h

Warum kommt es oft schlimmer als berechnet?

• Annahmen werden nicht eingehalten

• Außenlufttemperaturen zu niedrig angesetzt (Testreferenzjahr „TRY“)

• Wahrnehmung hoher Raumlufttemperaturen auch bei niedrigen Außenlufttemperaturen (Frühling, Herbst)

• Temperaturen über 22°C führen erfahrungsgemäß zu Klagen der Nutzer; hier an 800-2.000 Stunden bei 1.600 Arbeitsstunden pro Jahr

Unterschiedliche Raumlufttechnik in verschiedenen Nutzungen

Wache, KTU, Leitstelle Büros

RLT-Anlage, Zuluft gekühlt auf 26°CHeiz-/Kühldecken

FensterlüftungHeizdecken

Raumlufttechnische Anlagen und Kälteerzeugung

Kälte Mehrere RLT-Zentralgeräte

Betriebserfahrung nach dem ersten Jahr

• Nachrüstung von Kühlung für Küche und Kantine bereits erfolgt (war planerisch bereits vorgerüstet in RLT-Anlagen)

• Nachrüstung Kühlung gesamtes Gebäude über bestehende Heizdeckensysteme (Option war planerisch bereits vorgesehen)

• Nachrüstung Kühlung Foyer

DIAL Lüdenscheid – nearly zero energy building (nZEB)

GF 2

Musterraum: Eckbüro

• Sehr guter, äußerer Sonnenschutz ringsherum

• Strahlungsdurchlässigkeit 10 %

• Verglasung U = 1,0 W/m²K

• g=0,8• Anlagenlaufzeit RLT-

Anlage: 8.760 h/a• Volumenstrom-

reduzierung nachts: 30%• Rückgewinnungsgrad

WRG: 80 %• Personen 8- 20 Uhr• Kühlung

Bei Bedarf keine Volumenstromreduzierung nachts

Beleuchtung 54 W/m² jeweils Mo–Fr

PC 150 W g = 0,8

Ergebnis und Sensitivitätsanalyse // Jahresverlauf

Beleuchtung 25 W/m²1- 8 Uhr 0,1 x 25 = 2,5 W/m²8-10 0,8 x 25 = 2010-16 0,4 x 25 = 10 16-19 0,8 x 25 = 2019-24 0,1 x 25 = 2,5jeweils Mo-Fr

Volumenstromreduzierung nachts: 30%

PC 150 W

Bei Bedarf keine Volumenstromreduzierung nachts

Beleuchtung 54 W/m² jeweils Mo–Fr

PC 150 W g = 0,8

…Tagesverlauf im Sommer

Beleuchtung 25 W/m²1- 8 Uhr 0,1 x 25 = 2,5 W/m²8-10 0,8 x 25 = 2010-16 0,4 x 25 = 10 16-19 0,8 x 25 = 2019-24 0,1 x 25 = 2,5jeweils Mo-Fr

Volumenstromreduzierung nachts: 30%

PC 150 W

Ausregulierung der Raumlufttemperatur über die Beleuchtung

Leuchten

Abluft

Zuluft

Fensterkontakt Präsenzmelder

LON

Lowtech-Gebäude2226

Quelle: NZZ, 22. Mai 2019, S. 32

Glasanteil von Fassaden bei Forschungsgebäuden

NETZ Universität Duisburg-Essen ZEMOS Ruhr-Universität Bochum

Liegenschaftsenergiekonzept Ruhr-Universität Bochum

57/76

Thermische Trägheit von Gebäuden

• Speicherfähigkeit von Gebäuden reduziert Temperaturschwankungen

• Günstig: – Massive Bauweise: Wände Mauerwerk,

Decken Stahlbeton

– sichtbare Betondecken mit Kontakt zur Raumluft

• Ungünstig:– Trockenbauwände (Gipskarton, Holz)

– Abhängdecken (in Simulation +2 K)

– Doppel-/Hohlraumböden

Büro

Trockenbau, Abhangdecke Massivbau (außer Raumtrennwände), freie Decke

Seminarraum

Trockenbau, Abhangdecke Massivbau (außer Raumtrennwände), freie Decke

Labor, physikalisch

Trockenbau, Abhangdecke Massivbau (außer Raumtrennwände), freie Decke

Techniken zur Nachrüstung von Kühlung

Wärmeschutz in Gebäuden

Direktverdampfung: Bsp. VRF-Kältetechnik

K 10/16°C 8/12°C

UKG

Quelle: Daikin

Maximale Netzeigenschaften bei direkt verdampfenden Systemen

VRF-Technik Herkömmliche Split-Technik

Maximale Länge Gesamtsystem(Summe aller

Rohrleitungslängen)

1.000 mBei doppelter Berechnung

der Leitungslängen zwischen Abzweigen

100 m

…davon maximale Länge aller Rohrleitungen zwischen den Innengeräten

ca. 935 m 20 m

Maximale Rohrlänge zwischen Innengeräten

90 m vom ersten Abzweig bis zum entferntesten Innengerät

10 m zwischen zwei Innnengeräten

Maximale Höhenunterschied zwischen Außeneinheit (Dachaufstellung) und Innengeräten

50 mErweiterung auf bis zu 90 m

möglich

30 m

Maximaler Höhenunterschied zwischen Innengeräten

15 m 0,5 m

F-Gase-Verordnung

Füllgewicht entspricht ca. max. Kälteleistung bei VRF-Systemen

Inspektionszyklus

> 3 kg(6 kg bei

hermetischen Systemen)

< 100 kW alle 12 Monate

> 30 kg < 147 kW alle 6 Monate bzw. 12 Monate bei automatischen Leckdetektoren

> 300 kg N/A alle 3 Monate bzw. 6 Monate bei automatischen Leckdetektoren

Heiz-Kühl-Decken

Quelle: Zent-Frenger

MiniaturisierungVolumenspezifische Kühlleistung

³m

kWQ

0

5

10

15

20

25

30

Patent: LUVAS Hochleistungs-Fassaden-Heiz-Kühl-System

Patent: LUVAS Hochleistungs-Decken-/Wand-Heiz-Kühl-System

Quer durchströmtes Hochleistungs-Fassaden-Heiz-Kühl-Element an der Fassade

Fassadenkühlsystem in Handelsbereichen

Fassaden-Heiz-Kühl-System

Beispiel: Provinzial Versicherung Düsseldorf

Beispiel: Greenhill LLP, Frankfurt

Zusammenfassung

Wärmeschutz in Gebäuden

Zusammenfassung

• Viele junge Gebäude werden zu warm, obwohl der sommerliche Wärmeschutz im Genehmigungsverfahren nachgewiesen wurde.

• Sommerlicher Mindestwärmeschutz berücksichtigt keine innerenLasten

• Klimaveränderungen: Durchschnittstemperaturen, Dauer der Hitzephasen und Maximaltemperaturen steigen.

• Hoher Glasanteil beeinflusst die Raumtemperatur erheblich.• Wärmedämmung hält die Wärme in den Gebäuden.• Leichte Bauweise und Abhangdecken reduzieren die thermische Trägheit

stark.• Die Nachrüstung von Kühltechnik ist technisch möglich, wenn auch

kostenintensiv.