Modellierung und Quantifizierung der Wirkung von Sonnenschutzvorrichtungen über die Sommerperiode

Ausgangssituation

Die Häufigkeit hoher Raumlufttemperaturen im Sommer kann wirkungsvoll über Sonnenschutzvorrichtungen vermindert werden, wodurch ein erheblicher Beitrag zur Sicherstellung eines behaglichen Raumklimas geleistet wird. Zur Kennzeichnung der Wirkung von Sonnenschutzvorrichtungen wird im allgemeinen gem. DIN 4108 "Wärmeschutz im Hochbau", Teil 2 [1], der Gesamtenergiedurchlassgrad aus Fenster und Sonnenschutz, der gF-Wert, gebildet, der sich näherungsweise zusammensetzt aus gF = g . z. Der Abminderungsfaktor z beschreibt dabei die Wirkung der Sonnenschutzvorrichtung. Für wenige Fälle enthält DIN 4108 Zahlenwerte für z, die jedoch sehr pauschal festgelegt wurden. Die dort ausgesprochene Empfehlung, im Einzelfall den Nachweis in Anlehnung an DIN 67507 [2] zu führen, ist nur für nichthinterlüftete Systeme, die zur Verglasung planparallel angeordnet sind, anwendbar. Gleiches gilt für die in der Vornorm DIN V 4108-6 [3] getroffene Festlegung für die Heizperiode. In CEN/TC 89/WG 7 [4] wurde bisher ein vereinfachtes Verfahren zur Beurteilung von Sonnenschutzvorrichtungen erarbeitet, das jedoch wissenschaftlichen Ansprüchen nicht genügt und in tangierten Arbeitsgruppen, wie z. B. CEN/TC 89/WG 6 [5], keine Verwendung findet. Derzeit sind lediglich die Festlegungen der genannten Normen, jedoch nicht breit angelegte, wissenschaftlich abgesicherte Erkenntnisse über die Wirksamkeit von Sonnenschutzvorrichtungen bekannt. Für den speziellen Fall von innen bzw. außen angeordneten Jalousien wird in [6] ein neuer Berechnungsalgorithmus vorgestellt, mit dessen Hilfe der Strahlungsdurchgang durch beliebig geneigte Verglasungen bestimmbar ist. Die Berechnungsprozedur wird auf den Fall von hochverglasten Gebäudeteilen, wie Wintergärten, angewandt. Die berechneten Werte von effektiven Abminderungsfaktoren für den Sommer liegen für innen- bzw. außenliegende Jalousien um 78 bzw. 37 % höher als die Werte, die nach DIN 4108, Teil 2, anzusetzen wären. Für komplexe Systeme, wie z. B. starre, perforierte Systeme in Kombination mit beweglichen Systemen liegen keine Kennzeichnungsmöglichkeiten vor. Eigene Vorarbeiten Berechnungsalgorithmen für die Quantifizierung der Strahlungsvorgänge bei Verglasungen in Abhängigkeit vom Einfallwinkel [7] sowie zur Berücksichtigung der direkten, der vom Boden und der Verbauung reflektierten sowie der Himmelsanteile der Strahlung liegen validiert am Fachgebiet Bauphysik vor. Die in [8] gewonnenen Ergebnisse stützen das eigene Berechnungsverfahren. Für die Begutachtung der Wirksamkeit der Sonnenschutzvorrichtungen des Hauses der Geschichte der Bundesrepublik Deutschland in Bonn wurde eine aus mehreren Sonnenschutzvorrichtungen zusammengesetzte Sonnenschutzmaßnahme, die verschiedene Winkelbereiche abdeckt, rechnerisch modelliert und in ihrer sonnenschutztechnischen Wirkung beurteilt. Der Einfluss der Jahres- und Tageszeit konnte für diese Anordnung ermittelt werden. Die berechneten Abminderungsfaktoren weichen beträchtlich von über die Winkelbereiche gemittelten Werten ab.

Forschungsziel

Ziel des Forschungsvorhabens ist die prinzipielle Festlegung der Kennzeichnungsmethodik von Sonnenschutzvorrichtungen, diese mit strahlungsphysikalischen oder mit energetischen Daten zu kennzeichnen. Energetische Kennzeichnungen bieten den Vorteil einer unmittelbaren Umsetzbarkeit, jedoch den Nachteil, dass je nach Konstellation unterschiedliche Ergebnisse entstehen. Ein Beispiel ist die Anordnung identischer Sonnenschutzvorrichtungen innen oder außen vor die Verglasung. Demgegenüber ließe eine Kennzeichnung über strahlungsphysikalische Daten eine allgemeine Verwendung der gewonnenen Daten zu, jedoch immer unter der Voraussetzung entsprechender Rechenprogramme zur Beschreibung der energetischen Gegebenheiten. Zur Bestimmung der für die Kennzeichnung notwendigen Parameter sind entsprechende Berechnungsalgorithmen aufzustellen und für eine Vielzahl von üblichen Sonnenschutzsystemen anzuwenden. Dabei ist auch der Einfluss der Jahreszeit zu berücksichtigen.

Untersuchungsprogramm

Das Arbeitsprogramm gliedert sich in folgende Schritte:

  • Festlegung der Kennzeichungsmethodik - strahlungsmindernde (wie effektive Transmisionsgrade) oder energetische Betrachtung, wie z.B. effektive g-Werte über die Sommerperiode.
  • Mathematische Modellierung der physikalischen Vorgänge. Die Wirkung von Sonnenschutzvorrichtungen soll in Abhängigkeit vom aktuellen Einfallwinkel nach der Tages- und Jahreszeit und unter getrennter Berücksichtigung der Strahlungsanteile beschrieben werden. Diese Anteile werden über die Fensterfläche integriert. Für die Berechung der Wärmeübergänge von reflektierend beschichteten Sonnenschutzvorrichtungen liegen theoretische Ansätze [9] vor.
  • Erstellen von Berechnungsalgorithmen sowie deren Programmierung und Einbindung in ein bestehende Computerprogramm zur dynamischen Simulation des thermischen Verhaltens von Gebäuden [10].
  • Durchführung umfangreicher Simulationsrechnungen für unterschiedliche Kombinationen von Sonnenschutzvorrichtungen und Verglasungen. Die Verglasungsarten sollen sich auf übliche Systeme, die die Anforderungen des Wärmeschutzes erfüllen, konzentrieren. Folgende Kriterien für die Anordnung von Sonnenschutzvorrichtungen lassen sich unterscheiden:
    • innenliegende Sonnenschutzvorrichtungen, die nahe an der Verglasung und identische, die weiter von der Verglasung abstehend angebracht sind und raumseitig belüftet werden.
    • außenliegende Sonnenschutzvorrichtungen, die nahe an der Verglasung und identische, die in unterschiedlichen Abständen von der Verglasung abstehend angebracht sind.
    • Sonnenschutzvorrichtungen, die Fenster unterschiedlich weit nach unten abdecken. Bei beweglichen Markisen kommen in diesem Falle Nutzerge- wohnheiten bzw. Algorithmen zur automatischen mechanischen Steuerung zum Tragen.
    • zusammengesetzte Sonnenschutzvorrichtungen, z. B. aus festem Verschattungselement und beweglicher Sonnenschutzvorrichtung bzw. Sonnenschutzvorrichtung innen und außen.
    • Sonnenschutzvorrichtungen, die Lichtleitfunktionen erfüllen.
  • Ableitung pauschalierender Kenngrößen zur Beschreibung der Wirkung von Sonnenschutzvorrichtung je nach Einbausituation sowie Jahres- und Tageszeit.

Laufzeit

04 / 1997 - 03 / 1998

Mittelgeber

DFG-Forschungsvorhaben HA 1896/10

Detaillierte Infos

Abschlussbericht

Literatur

  • [1] DIN 4108, Teil 2 "Wärmeschutz im Hochbau - Wärmedämmung und Wärmespeicherung; Anforderungen und Hinweise für Planung und Ausführung". (Aug. 1981).
  • [2] DIN 67507 "Lichttransmissionsgrade, Strahlungstransmissionsgrade und Gesamtenergiedurchlassgrade von Verglasungen", 1980.
  • [3] DIN V 4108, Teil 6 "Wärmeschutz im Hochbau: Berechnung des Jahresheizwärmebedarfs von Gebäuden", 1995.
  • [4] Normentwurf CEN/TC 89/WG7 N85 rev5: Windows - solar and light transmission (incl. effects of shutters etc.) - Simplified calculation method, 1995.
  • [5] Normentwurf CEN/TC 89/WG6: Thermisches Verhalten von Gebäuden - Sommerliche Raumtemperaturen bei Gebäuden ohne Anlagentechnik - Allgemeine Kriterien und Berechnungsalgorithmen, 1995.
  • [6] Pfrommer, P.: Thermische Simulation hochverglaster Räume. wksb 37, 1996.
  • [7] Heibel, B. und Hauser, G.: Vorhangfassaden zur Vorwärmung der Zuluft mechanischer Lüftungsanlagen, Abschlussbericht zum DFG-Forschungsvorhaben HA 1896/1, Mai 1996.
  • [8] Pfrommer, P., Kupke, C., Lomas, K. und Stohrer, M.: Der Einfluss von Himmelsrichtung, Neigungswinkel, Beschichtung und Sonnenschutzvorrichtung auf den Strahlungstransmissionsgrad und effektiven Gesamtenergiedurchlassgrad von Mehrfachverglasungen. wksb 32, 1993.
  • [9] Gertis, K. A. und Erhorn, H.: Infrarotwirksame Schichten zur Energieeinsparung bei Gebäuden, Haustechnik - Bauphysik - Umwelttechnik - gi 103/1982.
  • [10] Hauser, G.: Rechnerische Vorherbestimmung des Wärmeverhaltens großer Bauten. Dissertation Universität Stuttgart, 1977.