CFD Modellierung eines klimaadaptiven Fassadenelementes mit Fokus auf aktiver und passiver

198 Pages·2016·13.95 MB·German

Christoph Ferk, BSc
CFD Modellierung eines klimaadaptiven Fassadenelementes mit
Fokus auf aktiver und passiver Solarenergienutzung
MASTERARBEIT
zur Erlangung des akademischen Grades
Diplom-Ingenieur
Masterstudium Bauingenieurwissenschaften - Konstruktiver Ingenieurbau
eingereicht an der
Technischen Universität Graz
Betreuer
Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.nat.techn. Oliver Englhardt
Institut für Hochbau
Mitbetreuender Universitätsassistent
Dipl.-Ing. Uwe Schabernak BSc Bmstr.
Graz, im August 2016

EIDESSTATTLICHE ERKLÄRUNG
Ich erkläre an Eides statt, dass ich die vorliegende Arbeit selbstständig verfasst,
andere als die angegebenen Quellen/Hilfsmittel nicht benutzt, und die den benutzten
Quellen wörtlich und inhaltlich entnommenen Stellen als solche kenntlich gemacht
habe. Das in TUGRAZonline hochgeladene Textdokument ist mit der vorliegenden
Masterarbeit identisch.
Datum Unterschrift

Danksagung
Nahezu am Ende meines Studiums blicke ich auf einige lehrreiche, interessante aber auch
sehr fordernde und lustige Jahre zurück und stelle fest, dass es an der Zeit ist, allen Personen,
die mich in diesen Jahren bis hin zum Abschluss meiner Diplomarbeit begleitet haben, zu
danken.
Zuerst gebührt mein Dank Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.nat.techn. Oliver Englhardt, welcher
meine Arbeit hervorragend betreut und durch das Einbringen interessanter Aspekte und
Sichtweisen immer in die passende Richtung gelenkt hat. Für die fachlichen Gespräche,
hilfreichen Anregungen und konstruktiven Kritiken gilt Dipl.-Ing. Uwe Schabernak BSc. ein
besonderer Dank. Darüber hinaus möchte ich allen Mitarbeitern des Instituts für Hochbau für
die angenehme Arbeitsatmosphäre und für die zur Verfügung gestellten Ressourcen danken.
Besonderen Dank möchte ich meinen Eltern aussprechen, welche mir das Studium finanziell
ermöglicht haben, mir in schweren Zeiten Selbstvertrauen geschenkt haben und als Unterstüt-
zung immer für mich da waren. Ferner hat mich ihre berufliche Tätigkeit zur Durchführung
dieser Arbeit angeregt und motiviert. Weiters danke ich meiner Schwester Michaela für ihren
fachlichen und mentalen Beistand. Ihrer Leistung gebührt mein größter Respekt.
EbenfallsmöchteichmeinerlangjährigenFreundinVerafürihreliebendeUnterstützung,sowie
für die Geduld und Rücksichtnahme, welche sie in den letzten Monaten aufbringen musste,
danken. Auch Veras Familie möchte ich an dieser Stelle einen Dank aussprechen.
Zu guter Letzt möchte ich all meinen Studienkollegen und Freunden für eine entspannte und
lustige Zeit sowohl an als auch abseits der Universität ganz besonders danken. Namentlich
anführen möchte ich an dieser Stelle Georg, Michael, Egzon, Chris, Simon, Philipp, Florian,
Romana, Verena, Christopher, Lukas, Markus, Metin, Gor, Thomas und Andreas. Ihr seid die
Besten!
Abschließend möchte ich allen namentlich nicht erwähnten Freunden, Bekannten und Ver-
wandten meinen herzlichen Dank aussprechen.
Christoph Ferk
23 2016
Graz, . August
v

Kurzfassung
DieFassadenimmtdengrößtenFlächenanteilderGebäudehülleinAnspruchundbringtdamit
erhebliche Herausforderungen mit sich, allen Anforderungen, wie etwa Witterungsschutz, ther-
mischem Komfort oder Erscheinungsbild, gerecht zu werden. Diesen Herausforderungen steht
ein hohes Potenzial, Fassaden sowohl zur Einsparung als auch zur Produktion von Energie
einzusetzen, gegenüber. Besonders in gemäßigten Klimazonen schwanken Klimaelemente im
Jahresgang sehr stark, wodurch sich die Anforderung an Fassaden ergibt, ihre bauphysika-
lischen Eigenschaften dem Außenklima dynamisch anzupassen. So werden seit Jahrzehnten
beispielsweise Doppelfassaden zur Optimierung des saisonalen Wärmeschutzes eingesetzt.
2
In der vorliegenden Arbeit werden numerische D-Strömungssimulationen (CFD) an einem
idealisierten Fassadenelement durchgeführt. Die Parameterstudie geht von vier verschiedenen
Außenklimata aus, welche je einen sonnigen und bedeckten Winter- und Sommertag repräsen-
tieren. Veränderbare Parameter sind die Lage der Verschattung im Fassadenzwischenraum,
2
deren Öffnungswinkel, ob die Fassade als Puffer- oder .-Haut-Fassade fungiert und zuletzt
die Höhe über welche der thermische Auftrieb wirkt (ein oder zwei Fassadenelemente). Die
Arbeit zeigt, welche Fassadenkonfiguration hinsichtlich der passiven Solarenergienutzung
(Wärmestrom in den Innenraum) bzw. hinsichtlich der aktiven Solarenergienutzung (max.
Erwärmung im Fassadenzwischenraum zum effizienten Betrieb von Wärmeübertragern) die
tauglichsten sind.
Eine optimale, passive Nutzung ist an den Sommertagen durch geschlossene Lamellen nahe
an der Außenverglasung und an Wintertagen durch geöffnete Lamellen nahe an der Isolierver-
glasung gegeben. Hinsichtlich der aktiven Solarenergienutzung zeigt eine schräge Anordnung
des Sonnenschutzes (unten nahe an der Isolierverglasung; oben nahe an der Außenverglasung)
unabhängig von dem Öffnungswinkel der einzelnen Lamelle die vielversprechendsten Ergeb-
nisse. Darüber hinaus ist kaum Veränderung hinsichtlich der passiven Solarenergienutzung
zwischen Konfigurationen, welche sich nur durch die Auftriebshöhe unterscheiden, bemerkbar.
Die aktive Solarenergienutzung wird durch das Hinzufügen eines zweiten Fassadenelementes
und den daraus resultierenden größeren Auftriebshöhen stets verbessert.
Schlüsselwörter:KlimaadaptiveFassade,Doppelfassade,2.-Haut-Fassade,Pufferfassade,Fassa-
denelemente, CFD, aktive und passive Solarenergienutzung
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Abstract
Thefacadeoccupiesthebiggestpartofabuilding’senvelope.Thus,itfacesamajorchallengeto
fulfil requirements such as weather protection, thermal comfort or visual appearance. Facades,
however, also offer a great potential to save and produce energy. Especially in temperate
climate zones climatic factors are fluctuating strongly between the hot and cold months. This
is the reason why facades should be able to adapt their physical properties according to the
outdoor climate. In fact, Double-Skin-Facades (DSF) have been used for decades to optimize
the seasonal thermal protection.
2
The purpose of this thesis is to conduct numerical D fluid dynamics simulations (CFD) for an
idealized facade element. The parametric study is based on four different outdoor climates: a
cloudy and a sunny winter’s and summer’s day. Further dynamic parameters are the position
of the shading device (blinds), its inclination angle, if the facade acts as buffer- or multi-storey-
facade and the height over which the chimney effect operates (one or two elements). The aim
of this thesis is to determine and contrast which configuration is most suitable for passive
solar energy utilization (heat flux into the room) and which one for active utilization (max.
temperature increase in the cavity for an efficient operation of heat exchangers).
Closed blinds close to the outer single glazing achieve the best passive solar energy utilization
on summer days. On winter days, open blinds close to the inner double glazing reach the
optimum. Regarding the active solar energy utilization, the best configuration is a tilted
one where the shading device is close to the double glazing at the bottom and close to the
outer single glazing at the top. Moreover, there is no dependency on the inclination angle
or the outdoor climate. Besides, there is hardly any change in the passive solar utilization in
configurations recognizable in which the height of the solar chimney (one or two elements) is
the only different parameter. The active solar utilization is enhanced through the arrangement
of a second element and the thereby resulting greater buoyancy height.
Keywords:Climateadaptivefacade,double-skinfacade,multi-storeydouble-skinfacade,buffer
facade, facade elements, CFD, active and passive solar energy utilization
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