Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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Projektziel ist die Ermittlung und Bewertung des Potenzials, über aussenliegende Gebäudebauteile eine Kühlfunktion für das Gebäude bereitzustellen. Dazu wurden zunächst Konzepte, Materialien und Systemlösungen analysiert. Marktverfügbare Komponenten beziehen sich hauptsächlich auf solarthermische Anwendungen, die in Kunststoffabsorber für die Schwimmbadbeheizung und unverglaste Metallabsorber für Solardächer unterschieden werden können. Die wichtigste Materialeigenschaft für den Kühlbetrieb stellt der Emissionsgrad für IRStrahlung dar. Mit Ausnahme von unbehandelten Metallen weisen die meisten Materialien hohe Emissionsgrade für Wärmestrahlung auf, bei Metallabsorbern für solarthermische Anwendungen besteht aber häufig eine selektive Beschichtung, welche die Emission im langwelligen Bereich vermindert. Hinsichtlich der Anforderung des Kühlkonzepts an das Gebäude wurden günstige Eigenschaften abgeleitet. So reduziert beispielsweise eine massive Bauweise den Kühlbedarf und bietet bei Bauteilaktivierung die Möglichkeit einer Speicherung der nächtlichen Kühlenergie in der Bausubstanz. Zur Bewertung des Potenzials wurden die Systemkomponenten für die Simulationsumgebung Matlab-Simulink erstellt. Im Anschluss wurden Parametervariationen hinsichtlich der Eigenschaften der aktivierten Aussenfläche (Grösse, Neigungswinkel, Emissionsgrad) und der Randbedingungen hinsichtlich Nutzung, Standort und hydraulischer Einbindung durchgeführt. Für klimatisch normale Jahre nach SIA Merkblatt 2028 werden dabei mit einer Kollektorfläche der Grösse der halben gekühlten Nettogeschossfläche im Mittelland hohe Deckungsraten bis zu 100% der Nutzungszeit und mittlere Kühlleistungen von 50 W/m2 Kollektorfläche während der Nachtstunden erreicht. Bei klimatisch wärmeren Bedingungen (Wetterdatensatz Lugano warmes Jahr) treten Hitzeperioden auf, die zur Überschreitung des operativen Temperaturbereichs nach SIA 382/1 führen, so dass nur etwa 50% der Nutzungszeiten durch rein passive Kühlung gedeckt werden können.
Im Hinblick auf die Auslegung ist eine hohe Einstrahlzahl zum Himmel vorteilhaft. Über eine Massenstromanpassung kann analog zu solarthermischen Systemen die Kühlleistung und die Austrittstemperatur des Kollektors beeinflusst werden. Bei Betrieb mit Temperaturen unter der Frostgrenze für Heizanwendungen ist eine Durchströmung der Aussenfläche mit Wasser-Glykol notwendig, so dass ein Wärmetauscher zur Medientrennung integriert werden muss. Da dieser das Potenzial im Kühlbetrieb vermindert, sollte der Wärmetauscher auf möglichst geringe Grädigkeit dimensioniert werden.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Institut für Energie am Bau – Fachhochschule Nordwestschweiz
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Wemhöner,Carsten
Wemhöner,Carsten
Wemhöner,Carsten
Wemhöner,Carsten
Genkinger,A.
Afjei,Th.
Afjei,Th.
Afjei,Th.
Afjei,Th.
Afjei,Th.
Afjei,Th.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Ziel des Projekts ist eine Potenzialanalyse, über eine Aktivierung von aussenliegenden Flächen der Gebäudehülle eine Kühlfunktion für das Gebäude zur Verfügung zu stellen. Dazu werden zunächst Konzepte, Materialien und Systemlösungen analysiert. Marktverfügbare Komponenten kommen hauptsächlich aus dem Bereich Solarthermie, die in Kunststoffabsorber zur Schwimmbadbeheizung und unverglaste Metallabsorber als Solardächer unterschieden werden können. Die Anforderung nach hohem langwellige Emissionsgrad, die für den Kühlbetrieb wichtig ist, wird von den meisten Materialien mit Ausnahme von unbehandelten Metallen erfüllt. Metallabsorber für solarthermische Anwendungen weisen aber häufig eine selektive Beschichtung auf, welche die Emission im langwelligen Bereich stark vermindert.
Günstige Eigenschaften des Gebäudes hinsichtlich der Kühlkonzepts sind eine massive Bauweise und moderate Glasanteile, die den Kühlbedarf reduzieren. Eine Bauteilaktivierung bietet die Möglichkeit einer Speicherung der nächtlichen Kühlenergie in der Bausubstanz. Durch die Begrenzung des Kühlbetriebs mit den Aussenflächen auf die Nachtstunden sind in jedem Fall Speicher oder allfällige Zusatzkälteerzeuger vorzusehen.
Zur Bewertung des Potenzials wurden die Systemkomponenten in der Simulationsumgebung Matlab-Simulink abgebildet. Die Aussenfläche wird als unabgedeckter Kollektor modelliert. Mit den modellierten Komponenten wurden Parametervariationen hinsichtlich der Eigenschaften der aktivierten Aussenfläche (Grösse, Neigungswinkel, Emissionsgrad) und der Randbedingungen hinsichtlich Nutzung, Standort und hydraulischer Einbindung durchgeführt.
Für klimatisch normale Jahre im Mittelland nach (Zürich Meteoschweiz normal nach SIA Merkblatt 2028) werden bei der Nutzung Einzelbüro mit einer Kollektorfläche in der Grösse der halben gekühlten Nettogeschossfläche hohe Deckungsanteile von über 90% der Nutzungszeit erreicht. Dabei werden in rund 75% der Nachtstunden Kühlleistungen von 50 W/m2 Kollektorfläche überschritten. Für die Nutzung Grossraumbüro sinkt der Deckungsgrad auf 85% und die Häufigkeit der Kühlleistung 50 W/m2 koll. auf ca. 60% der Nachtstunden. Die betrachtete Einfamilienhausnutzung kann unter den Wetterbedingungen "Zürich normal" allein mit der aktivierten Aussenfläche im Temperaturbereich nach SIA 382/1 gehalten werden.
Bei den extremen klimatischen Bedingungen des Wetterdatensatzes "Lugano warmes Jahr" treten Hitzeperioden auf, die zur Überschreitung der Behaglichkeitsgrenze der operativen Temperatur nach SIA 382/1 führen, so dass bei der Nutzung Einzelbüro nur etwa 60% der Nutzungszeit durch rein passive Kühlung gedeckt werden kann und eine Zusatzkühlung erforderlich ist. Im Grossraumbüro sinkt der Deckungsgrad auf 45%, und für die Nutzung Einfamilienhaus auf ca. 80 %. Durch die hohen Nachttemperaturen der Aussenluft wirkt hier die Konvektion in den Sommermonaten der Strahlung entgegen, was die Kühlleistung limitiert.
Mit effizienten Pumpen, die den einzigen Aufwand für die passive Kühlung darstellen, werden die für die passive Kühlung typischen hohen Nutzungsgrade von 10-40 erreicht. Daher kann mit einer passiven Kühlung über Aussenflächen die Kühlfunktion sehr effizient bereitgestellt werden.
Im Hinblick auf die Auslegung ist ein hoher Emissionsgrad die wichtigste Eigenschaft. Hohe Einstrahlzahlen zum Himmel, also ein flacher Aufstellwinkel, haben im Mittelland geringeren Einfluss, sind aber bei warmen Aussenbedingungen und damit begrenzter Konvektion vorteilhaft. Der wichtigste Betriebsparameter ist die mittlere Kollektortemperatur, so dass Übergabesysteme mit hohen Vorlauftemperaturen zu bevorzugen sind.
Zusammenfassend bestätigen die Simulationen, dass für die Randbedingungen der Schweizer Wetterdaten ein passiver Kühlbetrieb über aktivierte Aussenflächen als Alternative zu eingeführten Verfahren wie der erdgekoppelten Kühlung Potenzial hat, insbesondere im Mittelland. Noch interessanter wird der Einsatz des Systems, wenn ein Wärmebedarf besteht und damit Synergien einer Wärmenutzung während des Tages und einer Wärmeabfuhr während der Nacht bestehen. Für eine Heizungsunterstützung gibt es aber teils gegenläufige Anforderungen an die Flächeneigenschaften, was die Erträge einschränken kann.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Fachhochschule Nordwestschweiz - Hochschule für Architektur, Bau und Geomatik - Institut Energie am Bau
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Wemhöner,Carsten
Wemhöner,Carsten
Genkinger,A.
Afjei,Th.
Afjei,Th.
Afjei,Th.
Zugehörige Dokumente
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Schlussbericht
(Englisch)
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The objective of the project is an analysis of potentials to provide a cooling function for the building by activated outer surfaces of the building envelope.
Therefore, first concepts, materials and system solutions have been analysed. Market available components mainly refer to solar thermal applications, which comprise plastic absorbers for swimming pool heating and unglazed metal absorbers for solar roofs. The most important material characteristic for the cooling operation is the long-wave emissivity in the infrared spectrum. Except for non-coated metals most of the materials have high long-wave emissivity, for metal absorbers of solar thermal applications, though, often a selective coating is used, which limits the emission in the long-wave spectrum.
Regarding the requirements of the cooling concept for the building, a massive building with moderate glazing fraction reduces the cooling needs and a thermally-activated building system enables the storage of the nighttime cooling energy in the concrete building structure. Due to the restriction of the cooling operation by the activated outer surfaces to nighttime hours, storage options and eventually back-up generators shall be provided in the system design.
For the evaluation of the potentials, the system components have been implemented in the simulation environment Matlab-Simulink. The outer surface is modelled as unglazed collector. Parameter variations have been performed with the modelled components regarding the characteristics of an activated outer surface (size, inclination angle, long-wave emissivity) and the boundary conditions regarding load profiles, location and hydraulic integration.
For climatic normal years in the Swiss midland ("Zuerich normal" according to SIA 2028) and an individual office room, high degree of coverage above 90% is reached for a collector area of half the zone area, and cooling capacities exceed 50 W/m2 collector area during about 75% of the nighttime hours. For an open plan office, the degree of coverage decreases to about 85%, while the nighttime hours exceeding 50 W/m2 coll. decrease to about 60%. The considered single family house can be entirely kept in the temperature range according to SIA 382/1 by the activated outer surfaces.
Extreme climatic conditions as e.g. the weather data set "Lugano warm" lead to overshooting of the operative temperature in the individual office, so that only about 60% of the cooling demand is covered by passive cooling, and additional cooling is necessary to keep the room temperatures in the defined range of SIA 382/1. In an open plan office, the degree of coverage decreases to about 45% and in the single family house, about 80% of the cooling demand can be covered by passive cooling. In the summer month, the convection counteracts on radiation due to high nighttime outdoor air temperatures, which limits the radiative cooling.
With high efficiency pumps, which are the only expenditure in passive cooling operation, performance factors of 10-40 are reached, which are typical for passive cooling systems. Thereby, a passive cooling function for the building can be accomplished efficiently by the use of outer surfaces.
Regarding the design of the system a high long-wave emissivity is the most important feature. View factors to the sky have less impact in the Swiss midland, but have advantages in warm areas. The most important operation parameter is the average collector temperature, so that an emission system with high flow temperatures is advantageous.
Summarising, the simulations confirm that for the Swiss weather boundary conditions a passive cooling operation by activated outer surfaces has potential as an alternative to other passive cooling methods like ground-coupled cooling, in particular in the Swiss midland. The application of the system is even more interesting, if there is a heat demand and synergies by a heat generation during the day and heat rejection during the night can be used. For heating applications, though, some opposite requirements concerning the characteristic of the outer surface exist, which can affect the generation in heating or the rejection in cooling mode.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Fachhochschule Nordwestschweiz - Hochschule für Architektur, Bau und Geomatik - Institut Energie am Bau
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Wemhöner,Carsten
Wemhöner,Carsten
Genkinger,A.
Afjei,Th.
Afjei,Th.
Afjei,Th.
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