Experimentelle und rechnerische Untersuchungen zur Kühlung dezentral belüfteter Gebäude mittels Nachtlüftung unter Berücksichtigung mikroklimatischer Einflüsse

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Auf Grund steigender Energiekosten sowie erhöhter öffentlich-rechtlicher und normativer Anforderungen an den Energiebedarf von Gebäuden gewinnen energieeffiziente passive Kühltechniken zunehmend an Bedeutung. Eine vergleichsweise einfache und nahezu überall mögliche Form passiver Kühlung ist die Nachtlüftung. Sie nutzt das Kühlpotential niedriger nächtlicher Umgebungstemperaturen, um die tagsüber erwärmten Gebäudestrukturen zu kühlen. Dieses Kühlkonzept bedingt eine raumweise Zuführung von Außenluft, zumeist durch fassadenintegrierte Lüftungsöffnungen. Mikroklimatische Einflüsse aus dem Gebäudeumfeld und aus der solaren Einstrahlung auf die Fassade können hier zu einer Erwärmung der Zuluft führen und sich somit in sommerlichen Witterungsphasen nachteilig auf das Raumklima bzw. den Kühlbedarf auswirken. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird an Räumen mit außenwandintegrierten Zuluftöffnungen untersucht, in welchem Maß diese äußeren Einflüsse einen Anstieg der Ansaug- und somit der Raumtemperaturen hervorrufen, welche Auswirkungen die prognostizierte Klimaerwärmung hat und wie sich die Nachtlüftungseffektivität durch günstige Zu- und Abströmöffnungen optimieren lässt.
Bei Feldmessungen an acht Bürogebäuden werden verschiedene Fassaden- und Ansaugkonstruktionen hinsichtlich ihrer Wirkung auf die Ansaug- und Zulufttemperaturen verglichen und vorteilhafte Konstruktionen bzw. Konstruktionsmerkmale identifiziert. Mikroklimatische Einflüsse, z.B. aus umliegender Bebauung oder Topographie, werden durch die Gegenüberstellung lokal und meteorologisch gemessener Wetterdaten ermittelt.
Parallel zu den Feldmessungen werden kohärente Untersuchungen – frei von Nutzereinflüssen – an einem Messraum auf dem Campus der Universität Wuppertal durchgeführt. Eine in dem Zusammenhang getestete Zuluftkühlung mittels Latentwärmespeichern erwies sich als sehr effektiv.
Aus den Messdaten des Testraums werden ferner Formeln zur Berechnung von Ansaug- und Zulufttemperaturen unter Berücksichtigung von Solar- und Windeinflüssen abgeleitet. Die zu Grunde liegenden Verfahren sind dokumentiert und können zur Herleitung vergleichbarer Formeln für andere bauliche Situationen verwendet werden.
Mit den so gewonnenen Formeln werden anschließend in dynamischen Gebäudesimulationen die Auswirkungen verschiedener Ansaug-Konfigurationen und Wetterdaten auf das Raumklima und den Jahreskühlenergiebedarf verglichen. Die Berücksichtigung der Solareinflüsse an der Fassade führt dabei zu einem signifikant wärmeren Raumklima bzw. zu einem bis zu 80 % höheren Kühlenergiebedarf; der Heizenergiebedarf reduziert sich hingegen um bis zu 20 %. Außerdem zeigen die Simulationen, dass Wetterdaten von meteorologischen Mess-Stationen kaum geeignet sind, die Raumtemperaturen an eng bebauten städtischen Standorten realitätsnah abzubilden.
Für weitere Analysen werden daher auf die meteorologischen Daten des Testreferenzjahrs parameter-basiert Stadteffekte aufgeprägt. In verschiedener Ausprägung bilden diese in Kombination mit Datensätzen unterschiedlicher Temperaturcharakteristik die Basis für Sensitivitätsanalysen des Raumklimas und des Energiebedarfs. Mit den Daten zweier Klima-Prognosen wird ermittelt, dass bis zum Jahr 2050 eine passive Kühlung von Gebäuden nur noch mit großem technischen Aufwand bzw. einer Kombination verschiedener Systeme möglich ist. Auf Grund der potentiell langen Nutzungsdauer von Gebäuden sollte daher bereits heute bei der Planung neuer Gebäude bedacht werden, wie sich deren Kühlleistung später an die erhöhten Anforderungen anpassen lässt.
Die beim Kühlbetrieb während der Nachtlüftung auftretenden Wärmeaustauschprozesse werden detailliert mit transienten dreidimensionalen Strömungssimulationen untersucht. Dabei werden besonders effiziente Lüftungskonfigurationen identifiziert und Wärmeübergangskoeffizienten zur Nutzung in thermischen Gebäudesimulationen ermittelt und tabelliert.
Die Ergebnisse aller in dieser Arbeit durchgeführten Untersuchungen sind abschließend in leicht verständlichen Planungshinweisen und -empfehlungen zusammengefasst.

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Dokumententyp:
Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Fakultäten und Einrichtungen:
Fakultät für Architektur und Bauingenieurwesen » Architektur » Dissertationen
Dewey Dezimal-Klassifikation:
700 Künste und Unterhaltung » 720 Architektur » 720 Architektur
Sprache:
Deutsch
Kollektion / Status:
Dissertationen / Dokument veröffentlicht
Dateien geändert am:
05.03.2018
Datum der Promotion:
06.02.2017
Medientyp:
Text