Projekt 21852/01

Entwicklung einer Lüftungsfassade für die Sanierung von Gebäuden (Vorstudie)

Projektträger

B & O Wohnungswirtschaft GmbH & CO. KG
Leonhardt-Moll-Bogen 10
81373 München
Telefon: 089/89521-0

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Für die Sanierung des Baubestandes fehlen effiziente auf einander abgestimmte Lösungen. Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung eines Gebäudehüllensystems in Holztafelbauweise, welches in vorgefertigten Elementen hergestellt und nach dem Verlegen der Versorgungsleitungen auf eine bestehende massive Wand aufgesetzt werden kann. Über diese Elemente werden die dahinter liegenden Räume, mittels eines integrierten Zuluftgerätes und eines flächigen Wärmetauschers mit temperierter Frischluft versorgt und beheizt. Dabei ist die Gebäudehülle als Baustein eines Lüftungs- und Heizungskonzeptes mit Wärmerückgewinnung durch eine Wärmepumpe auf der Abluftseite zu verstehen. Auf diese Weise ist die Sanie-rung des Gebäudes in Hinsicht auf Dämmung, Heizung, Lüftung und Fassade einschließlich der Fenster in einem Zug zu bewerkstelligen. Zur Verringerung des Wärmedurchgangs der außenliegenden Dämm-schicht aus nachwachsenden Rohstoffen soll das Prinzip der Porenlüftung genutzt werden.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenInhalt des F+E-Projektes ist der Nachweis der physikalischen Wirksamkeit an einem Tafelbauelement. Dieser Nachweis dient als Entscheidungsgrundlage für die Weiterbearbeitung des Projektes im Sinne der Entwicklung eines voll funktionsfähigen Fassadensystems und dessen Erprobung im Versuchsstand über die Winterperiode 2004/2005 und danach dessen Demonstration in einem Pilotprojekt. Zu diesem Zweck wird ein Testelement konzipiert und zunächst in einer Strömungssimulation theoretisch untersucht, dann im Maßstab 1:1 gebaut und in einer Testbox unter verschiedenen Randbedingungen vermessen. Der Wärmedurchgang wird dabei als Funktion der Durchströmung des Elementes im Versuch ermittelt. Die Gleichmäßigkeit des Wärmedurchgangs über die gesamte Paneelfläche wird messtechnisch überprüft. Dabei wird die Zuluftführung innerhalb des Elementes optimiert und beim Bau des Testmodells berücksichtigt. Nach Optimierung und erneuter Vermessung des Elementes stehen validierte Parameter für eine Simulation des Gesamtsystems aus Fassade und Anlagentechnik zur Verfügung. Diese liefert belastbare Aussagen zu Temperaturverläufen und Arbeitszahlen der Wärmepumpe. Schlussendlich wird der Primärenergieverbrauch des Systems (Wärmepumpe, Ventilatoren, Umwälzpumpe) für reale Betriebsfälle ermittelt.


Ergebnisse und Diskussion

Luftströmungssimulation: Die Simulationen wurden mit dem Programm CFX-5 für ein Grundmodell der Porenlüftungsfassade und eine weitere Lüftungsfassade mit zusätzlicher Vlieseinlage vor der Dämmmatte durchgeführt. Im Grundmodell zeigt sich, dass die Durchströmung der Dämmschicht über die Höhe der Fassade variiert. Im oberen Bereich kann sogar eine leichte Rückströmung auftreten. Es konnte gezeigt werden, dass diese Ungleichmäßigkeit der Durchströmung durch eine Konvektionswalze im raumseitigen Luftsammelspalt vor der Altbaufassade entsteht. Die Berechnungen mit einem zusätzlichen Strömungs-widerstand in Form einer Vlieseinlage auf der Dämmschicht erfolgten für den Fall einer Nachheizung im raumseitigen Luftsammelspalt. Ein Vlies mit einem linearen längenbezogenen Strömungswiderstand von 3*106 kg/m2s gewährleistet eine sehr gleichmäßige Durchströmung. Die U-Werte stimmen auch mit den theoretisch berechneten Werten überein. Auch die Temperaturverläufe innerhalb des Dämmmaterials zeigen den erwarteten Verlauf. Ein solches Vlies würde bei Durchströmung mit einem praxisrelevanten Nennvolumenstrom von 2m3/m2h lediglich einen Druckabfall von 2,5 Pa verursachen, was gegenüber dem Druckabfall des der Fassade vorgeschalteten Filters überhaupt kein Problem darstellt.
Messungen: Die verwendete Messbox ist auf einer Seite durch eine Hartschaumplatte als Ersatz für die Altbauwand begrenzt, auf welche die eigentliche Testfassade aufgesetzt werden konnte. Die Messbox stand während der Experimente im Labor, so dass außerhalb der Box eine Temperatur von ca. 20 °C herrschte. Der Innenraum wurde mittels einer Heizung im inneren der Box auf einen Wert von 40 °C temperiert, sodass über der Testfassade und der Altbauwand eine definierte Temperaturdifferenz von 20 K abfiel. Durch eine sogenannte aktive Isolierung der fünf anderen Hüllflächen der Messbox war sichergestellt, dass die in die Box eingebrachte Wärme nur durch die Testfassade und die Luft die Messbox verlassen konnte. So ließ sich aus einer Bilanzierung der eingebrachten Heizleistung und der Lüftungswärmeströme der Wärmedurchgang durch die Fassade und daraus bei den bekannten Randbedingungen der resultierende U-Wert berechnen. Für den Aufbau der Messbox wurden die Einflüsse von Wärmebrücken des Randverbundes berücksichtigt. Dieser Einfluss war jedoch gering. Aus der sehr guten Entsprechung von errechneten und gemessenen Werten ist zu folgern, dass die Dämm-Matte sehr gleichmäßig durchströmt wird und der erwartete Effekt einer deutlichen Verbesserung des U-Wertes der Porenlüftungsfassade eintritt. Bei einer mittleren Strömungsgeschwindigkeit von 10-3 m/s wurde ein U-Wert von 0,08 W/(m2*K) gemessen.
Simulation Gesamtenergieverbrauch: Es ist die Energiebilanz für ein fiktives Gebäude, welchem ein als repräsentativ ausgesuchter Wohnungsgrundriss zugrunde lag, für drei verschiedene Luftwechselraten von 0,3/h, 0,5/h und 0,8/h ermittelt worden. Der Nachheizbedarf über die Wärmepumpe setzt sich aus dem Anteil der Wärmerückgewinnung aus der Abluft und der elektrischen Antriebsarbeit der Wärmepumpe zusammen und steigt mit zunehmendem Luftwechsel an. Gleichzeitig erhöht sich mit zunehmendem Luftwechsel auch der Jahresnutzungsgrad der Wärmepumpe, wodurch die elektrische Antriebsarbeit nicht so deutlich zunimmt wie der Nachheizbedarf. Bei der Berechnung des Primärenergieverbrauchs für die Beheizung des Gebäudes wurde neben der Antriebsenergie für die Wärmepumpe auch der Strombedarf für den Betrieb von Zu- und Abluftventilatoren, der Umwälzpumpe der Heizung sowie für die Enteisung des Wärmetauschers der Wärmepumpe bei sehr tiefen Temperaturen und entsprechend hohen Leistungsanforderungen berücksichtigt. Als Ergebnis kann man feststellen, dass für eine Luftwech-selrate von 0,5/h für die Beheizung des Gebäudes ein sehr niedriger Primärenergieverbrauch von ca. 40 kWh/m2 (Wohnfläche) zu erwarten ist und ein Jahresnutzungsgrad der Wärmepumpe von 3.9 erreicht wird.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Die Veröffentlichung der Ergebnisse erfolgte bisher mit einem Kurzvortrag zur Strömungssimulation auf dem 22. CAD-FEM Users Meeting 2004 / ANSYS CFX @ ICEM CFD Conference vom 10. -12. November in Dresden. Weitere Veröffentlichungen sind geplant.


Fazit

Im Vorprojekt konnte der Effekt der Verringerung des Wärmedurchgangs durch Dämm-Materialien durch das Prinzip der Porenlüftung eindeutig nachgewiesen werden. Weiter ist aus der sehr guten Entsprechung von errechneten und gemessenen Werten zu folgern, dass die Dämm-Matte sehr gleichmäßig durchströmt wird, sodass eine Weiterentwicklung des Konstruktionsprinzips für die Vorsatzschale mit dem vorgeschlagenen Aufbau als sinnvoll erachtet werden kann. Die auf Basis der Messungen sehr detailliert ausgeführten Berechnungen untermauern die prognostizierten Einsparungen an Primärenergie. Damit ist die Sinnhaftigkeit des Technikkonzeptes belegt und die Weiterverfolgung wird beantragt.