Implementierung und Validierung eines Algorithmus zur thermischen Simulation von transparenten Bauteilen für die energetische Ertüchtigung von Fenstern im Bestand

Der Klimaschutz ist eine Herausforderung und eine Verantwortung insbesondere gegenüber den nachfolgenden Generationen. Ein Baustein zum Klimaschutz ist die erhebliche Senkung des Energieverbrauches der bestehenden Gebäude. Bei der Sanierung von älteren oder gar zu Denkmalen erklärten Gebäuden stellt die Erhaltung der Originalsubstanz und des Erscheinungsbildes erhöhte Anforderungen an alle am Bau Beteiligten. Für eine energetische Ertüchtigung von historischen Fenstern, welche auch zukünftigen Anforderungen an den Klimaschutz genügen, zeigt diese Arbeit, dass eine detaillierte Planung und eine bauphysikalische Betrachtung notwendig sind. Diese Arbeit leistet einen Beitrag, damit zukünftig das thermische Verhalten der einzelnen Bestandteile (Verglasung, Randverbund, Rahmen) des energetisch ertüchtigten Fensters realitätsnah simuliert und bewertet werden kann. Ausgehend von einer vorbildhaften energetischen Sanierung eines Baudenkmals, welche auch zukünftige Anforderungen an den Klimaschutz genügt, wurden die Erfahrungen der Herstellung der Hochleistungsfenster des Modellgebäudes über die Beobachtungen in einem Zeitraum von über 15 Jahren dargelegt. Bei der Literaturrecherche zum Stand der Wissenschaft und Technik zum Thema Berechnung und Simulation von transparenten Bauteilen wurde besonders auf die freie Konvektion im geschlossenen Scheibenzwischenraum eingegangen. Darauf beruhend wurden eine Parameterstudie und eine Bewertung der Konvektionsmodelle vorgenommen. Das am Institut für Bauklimatik entwickelte numerische Simulationsprogramm [DELPHIN] beruht auf der Finite-Volumen-Methode für opake Bauteile und berücksichtigt den gekoppelten Wärme-, Feuchte-, Luft- und Salztransport für 1D-, 2D- und 3D- Probleme. Dieses Programm wurde parallel zu dieser Arbeit durch das DELPHIN-Entwicklerteam auf der Grundlage der Validierungen mittels Messungen an den Fenstern des Modellgebäudes um die freie Konvektion im geschlossenen Hohlraum zu einem Programm zur Berechnung von transparenten Bauteilen weiterentwickelt. Zusätzlich können damit unter Berücksichtigung der Feuchtespeicherung hygrothermische Schadensprognosen in der Ingenieurpraxis vorgenommen werden. Im Vergleich zur CFD-Simulation wird nur ein Bruchteil der Rechenleistung und Rechenzeit benötigt. Der Ansatz, mit den Messungen der Oberflächentemperatur und der Globalstrahlung senkrecht zur Fassadenebene alle wesentlichen Parameter zu erfassen und durch Nachsimulation von Scheibenoberflächentemperaturen im Kastenzwischenraum das Simulationsmodell und das Programm zu validieren, hat sich bewährt. Durch die Validierung unter Realbedingungen steigt die Akzeptanz dieser Simulation vor allem in der Praxis. Das entwickelte Simulationsmodell stellt ein Werkzeug für die wissenschaftlich gestützte Weiterentwicklung moderner Fenster für die Industrie dar. Zukünftig soll es zur Optimierung von anderen transparenten Bauteilen wie z. B. der thermischen Solarkollektoren sowie der Kombination aus thermischen Solarkollektoren und PV-Kollektoren beitragen. Eine weitere Zielgruppe dieser Arbeit sind Fachplaner und Fachbetriebe, welche sich auf die energetische Sanierung von Bestandsfenstern spezialisiert haben. Die Simulationen der Kastenfenster haben gezeigt, dass bei der Bauteil- und Gebäudesimulation die Berücksichtigung der Absorption der kurzwelligen Strahlung und die daraufhin veränderten freien Konvektionen und der langwellige Strahlungsaustausch in den geschlossenen Hohlräumen nicht vernachlässigt werden können. Der Fehler bei dem Monatsbilanzverfahren zur Berechnung des Heizenergiebedarfes ist bei 2-Scheibenverglasungen noch vertretbar. Bei hochenergieeffizienten Mehrscheibenverglasungen sollte das normative statische Berechnungsverfahren zur U-Wertermittlung von transparenten Bauteilen Verglasungen vorzugsweise durch eine thermische Simulation ersetzt werden. Hierbei sind der Klimastandort und die Ausrichtung für die Absorption der kurzwelligen Strahlung zu berücksichtigen. Eine Vereinfachung für ein Monatsbilanzverfahren für die jeweiligen Klimastandorte der Testreferenzjahre (TRY) [DWD] ist vorstellbar. Bei der Bauteil- und Gebäudesimulation unter Verwendung von Stundenwerten und noch kleineren Zeitschritten sowie in der Hitzeperiode muss diese Modellerweiterung implementiert werden. Durch die realitätsnahe Simulation der Scheibenoberflächentemperaturen auf der Raumseite kann die Empfindungstemperatur berechnet und nachfolgend eine Behaglichkeitsbewertung durchgeführt werden. Die Untersuchungsergebnisse beim Modellgebäude und der Simulation fließen in Vorschläge zur energetischen Ertüchtigung von Bestandsfenstern mittels schmaler Wärmeschutzverglasung mit reduziertem Emissionsgrad ein. Auf der Grundlage dieses Modells kann das Optimum des Scheibenzwischenraumes der einzelnen Edelgase in Abhängigkeit der Neigung ermittelt werden. Das Modell gibt die Möglichkeit zur Bewertung und nachfolgend zur Minimierung von Schadprozessen, welche die Dauerhaftigkeit von transparenten Bauteilen beeinträchtigen. Für die Gebäudesimulation ist die Simulation der Wärmeströme der Verglasung und eine Betrachtung der Strahlungstransmission zu empfehlen. Die separate Simulation von U-Werten ist nicht zu bevorzugen.:1. Motivation, Ausgangssituation und Ziele 9 1.1. Motivation 9 1.2. Ziele, Thesen, Methodik und Relevanz des Dissertationsthemas 11 1.3. Strukturierung der Arbeit 16 2. Modellgebäude Handwerk 15 in Görlitz 17 2.1. Energetisches Gesamtkonzept 18 2.1.1. Dämmmaßnahmen 19 2.1.2. Erneuerung Anlagentechnik 20 2.2. Geschichte und Beurteilung des Denkmalwertes des Modellobjektes 24 2.3. Besondere Anforderungen an die Fenster am Beispiel des Gebäudes Handwerks 15 32 2.3.1. Brandschutzanforderungen 32 2.3.2. Schallschutzanforderungen 33 2.3.3. Belichtung 33 2.3.4. Architektonische Anforderungen-Beibehaltung des historischen Erscheinungsbildes 34 2.4. Energetische Ertüchtigung der Fenster des Modellgebäudes 37 2.4.1. Ausgangssituation 37 2.4.2. Verwendete Verglasung und Low-e-Beschichtung 39 2.4.3. Holz-Kastenfenster mit 2-Scheiben-Wärmeschutzverglasung aus Solarglas 41 2.4.4. Holz-Einfachfenster mit 3-Scheiben-Wärmeschutzverglasung aus Solarglas 44 2.5. Messungen und Beobachtungen am Modellgebäude 46 2.5.1. Messkonzept und Dokumentation des Monitorings und Messerfassungssystems 47 2.5.2. Messaufbau zur Erfassung des Innen- und Außenklimas 48 2.5.3. Bauteilmessstrecke Kastenfenster, 2. OG Nord 50 2.5.4. Bauteilmessstrecke Kastenfenster, 1. DG Süd 54 2.5.5. Bauteilmessstrecke Dachliegefenster, Nord, 2. DG 57 2.5.6. Beschreibung von bauphysikalischen Vorgängen bei den Verglasungen 63 2.5.7. Beschreibung von physikalischen Schadprozessen bei Fenstern 65 2.5.8. Zusammenfassung und Fazit aus den Messungen und den Beobachtungen 70 3. Stand der Wissenschaft und Technik 71 3.1. Aktuelle europäische Normung 72 3.2. Analytisches Modell für die Konvektion innerhalb des Scheibenzwischenraumes 78 3.3. Modell nach ISO 15 099 88 3.4. Modell nach Hollands, Unny, Raithby und Konicek u. a. 90 3.5. Modellzusammenstellung nach Klan und Thess 93 3.6. CFD-Simulationen von Mehrscheibenverglasungen 96 3.6.1. CFD-Simulationen im Vergleich zur DIN EN 673 96 3.6.2. CFD-Simulationen in Kombination mit Messungen im Versuchsstand 102 3.7. Übersicht über die Umsetzung der Verglasungsmodelle in den Computerprogrammen 104 3.7.1. Programm glaCE 3.03 von Glas-Trösch 105 3.7.2. Programm Calumen II 1.3.3/ CalumenLive von SAINT-GOBAIN GLASS 105 3.7.3. Programmpaket Optics, Windows und Therm mit Übergabe in Energy Plus 105 3.7.4. Einzonensimulationsprogramm Therakles 3.0 vom Institut für Bauklimatik 110 3.7.5. Programme der Energieeinsparverordnung 111 3.7.6. Programmpaket PHPP 8 111 3.7.7. Übersicht über die Software zur Berechnung von Verglasungskennwerten 112 3.8. Übersicht über die thermische Beanspruchung von Verglasungen 113 4. Vergleich und Bewertung der Konvektionsmodelle 117 4.1. Analytische Konvektionsmodelle 117 4.2. CFD–Simulation mit EasyCFD 124 4.3. Zusammenfassung und Bewertung der Konvektionsmodelle 125 5. Herleitung und Anwendung des Simulationsmodells 127 5.1. Benennung und Beschreibung der Wärmetransportmechanismen 127 5.2. Algorithmus zur thermischen Simulation von transparenten Bauteilen 140 5.3. Auswertung der Messung und der Simulation bei Kastenfenstern 148 5.4. Validierte thermische Simulation der Kastenfenster 156 5.5. Auswertung der Messung bei dem Dachliegefenster 160 6. Energetische Ertüchtigung von Bestandsfenstern 163 6.1. Situation bei Bestandsfenstern 164 6.2. Beispiele für die energetische Fenstersanierung 166 6.2.1. Bestandskastenfenster 167 6.2.2. Kastenfenster mit K-Glass™ 171 6.2.3. Kastenfenster mit Wärmeschutzverglasung und K-Glass im Innenflügelpaar 174 6.2.4. Kastenfenster mit Wärmeschutzverglasung und K-Glass im Außenflügelpaar 178 6.2.5. Energetische Ertüchtigung durch zusätzliche Fensterebene 182 6.3. Ergebnisse der umgesetzten energetischen Ertüchtigung von Bestandsfenstern 186 7. Zusammenfassung und Ausblick 187 Literaturverzeichnis 189 Anhang 197 Anhang I. Begriffe und Kennzahlen der Strömungsmechanik 197 Anhang II. Eigenschaften von Gasen nach DIN EN 673 199 Anhang III. Berechnung des optimalen Scheibenabstandes 202 Anhang IV. Simulation des optimalen Scheibenabstandes 205 Anhang V. Hinweise zur statistischen Auswertung 208Climate protection is a challenge and a responsibility, especially towards future generations. One component of climate protection is the considerable reduction of the energy consumption of existing buildings. When renovating older buildings or even buildings that have been declared monuments, the preservation of the original substance and appearance places increased demands on all those involved in the construction. For an energetic retrofitting of historic windows, which also meet future requirements for climate protection, this work shows that a detailed planning and a structural-physical consideration are necessary. This work makes a contribution so that in the future the thermal behavior of the individual components (glazing, edge seal, frame) of the energetically upgraded window can be realistically simulated and evaluated. Based on an exemplary energetic refurbishment of an architectural monument, which also meets future climate protection requirements, the experiences of the production of the high-performance windows of the model building were presented via the observations over a period of more than 15 years. During the literature research on the state of the art in science and technology on the subject of calculation and simulation of transparent building components, special attention was paid to free convection in the closed space between the panes. Based on this, a parameter study and an evaluation of convection models were carried out. The numerical simulation program [DELPHIN] developed at the Institute of Building Climatology is based on the finite volume method for opaque building components and considers the coupled heat, moisture, air and salt transport for 1D, 2D and 3D problems. This program was further developed in parallel to this work by the DELPHIN development team on the basis of validations by means of measurements at the windows of the model building around the free convection in the closed cavity to a program for the calculation of transparent building components. In addition, hygrothermal damage predictions can be made in engineering practice with this program, taking moisture storage into account. Compared to CFD simulation, only a fraction of the computing power and computing time is required. The approach to capture all essential parameters with measurements of surface temperature and global radiation perpendicular to the facade plane and to validate the simulation model and the program by post-simulation of pane surface temperatures in the inter-box space has proven to be successful. The validation under real conditions increases the acceptance of this simulation, especially in practice. The developed simulation model represents a tool for the scientifically supported further development of modern windows for the industry. In the future, it should contribute to the optimization of other transparent components such as thermal solar collectors as well as the combination of thermal solar collectors and PV collectors. Another target group of this work are professional planners and specialized companies, which have specialized in the energetic renovation of existing windows. The simulations of the box-type windows have shown that in the component and building simulation, the consideration of the absorption of short-wave radiation and the resulting changes in free convection and long-wave radiation exchange in the closed cavities cannot be neglected. The error in the monthly balance method for the calculation of the heating energy demand is with 2-pane glazing is still acceptable. In the case of highly energy-efficient multi-pane glazing, the normative static calculation procedure should be used for the U-value calculation of transparent glazing components should preferably be replaced by a thermal simulation. Here, the climatic location and orientation should be taken into account for the absorption of short-wave radiation. A simplification for a monthly balance procedure for the respective climate locations of the test reference years (TRY) [DWD] is conceivable. For the component and building simulation using hourly values and even smaller time steps as well as in the heat period, this model extension has to be implemented. By the realistic simulation of the pane surface temperatures on the room side, the sensation temperature can be calculated and subsequently a comfort evaluation can be carried out. The results of the investigations in the model building and the simulation are incorporated into proposals for the energy upgrading of existing windows by means of narrow thermal insulation glazing with reduced emissivity. On the basis of this model, the optimum of the space between the panes of the individual noble gases can be determined as a function of the inclination. The model gives the opportunity to evaluate and subsequently minimize damage processes that affect the durability of transparent building components. For the building simulation, the simulation of the heat fluxes of the glazing and a consideration of the radiation transmission is recommended. The separate simulation of U-values is not to be preferred. The advice on the design or evaluation of the impairment due to condensation and frost formation on the outside of the glazing of transparent constructions should be continued by implementing the slope dependence of convection in the software and a validation by comparing measurement and simulation.:1. Motivation, Ausgangssituation und Ziele 9 1.1. Motivation 9 1.2. Ziele, Thesen, Methodik und Relevanz des Dissertationsthemas 11 1.3. Strukturierung der Arbeit 16 2. Modellgebäude Handwerk 15 in Görlitz 17 2.1. Energetisches Gesamtkonzept 18 2.1.1. Dämmmaßnahmen 19 2.1.2. Erneuerung Anlagentechnik 20 2.2. Geschichte und Beurteilung des Denkmalwertes des Modellobjektes 24 2.3. Besondere Anforderungen an die Fenster am Beispiel des Gebäudes Handwerks 15 32 2.3.1. Brandschutzanforderungen 32 2.3.2. Schallschutzanforderungen 33 2.3.3. Belichtung 33 2.3.4. Architektonische Anforderungen-Beibehaltung des historischen Erscheinungsbildes 34 2.4. Energetische Ertüchtigung der Fenster des Modellgebäudes 37 2.4.1. Ausgangssituation 37 2.4.2. Verwendete Verglasung und Low-e-Beschichtung 39 2.4.3. Holz-Kastenfenster mit 2-Scheiben-Wärmeschutzverglasung aus Solarglas 41 2.4.4. Holz-Einfachfenster mit 3-Scheiben-Wärmeschutzverglasung aus Solarglas 44 2.5. Messungen und Beobachtungen am Modellgebäude 46 2.5.1. Messkonzept und Dokumentation des Monitorings und Messerfassungssystems 47 2.5.2. Messaufbau zur Erfassung des Innen- und Außenklimas 48 2.5.3. Bauteilmessstrecke Kastenfenster, 2. OG Nord 50 2.5.4. Bauteilmessstrecke Kastenfenster, 1. DG Süd 54 2.5.5. Bauteilmessstrecke Dachliegefenster, Nord, 2. DG 57 2.5.6. Beschreibung von bauphysikalischen Vorgängen bei den Verglasungen 63 2.5.7. Beschreibung von physikalischen Schadprozessen bei Fenstern 65 2.5.8. Zusammenfassung und Fazit aus den Messungen und den Beobachtungen 70 3. Stand der Wissenschaft und Technik 71 3.1. Aktuelle europäische Normung 72 3.2. Analytisches Modell für die Konvektion innerhalb des Scheibenzwischenraumes 78 3.3. Modell nach ISO 15 099 88 3.4. Modell nach Hollands, Unny, Raithby und Konicek u. a. 90 3.5. Modellzusammenstellung nach Klan und Thess 93 3.6. CFD-Simulationen von Mehrscheibenverglasungen 96 3.6.1. CFD-Simulationen im Vergleich zur DIN EN 673 96 3.6.2. CFD-Simulationen in Kombination mit Messungen im Versuchsstand 102 3.7. Übersicht über die Umsetzung der Verglasungsmodelle in den Computerprogrammen 104 3.7.1. Programm glaCE 3.03 von Glas-Trösch 105 3.7.2. Programm Calumen II 1.3.3/ CalumenLive von SAINT-GOBAIN GLASS 105 3.7.3. Programmpaket Optics, Windows und Therm mit Übergabe in Energy Plus 105 3.7.4. Einzonensimulationsprogramm Therakles 3.0 vom Institut für Bauklimatik 110 3.7.5. Programme der Energieeinsparverordnung 111 3.7.6. Programmpaket PHPP 8 111 3.7.7. Übersicht über die Software zur Berechnung von Verglasungskennwerten 112 3.8. Übersicht über die thermische Beanspruchung von Verglasungen 113 4. Vergleich und Bewertung der Konvektionsmodelle 117 4.1. Analytische Konvektionsmodelle 117 4.2. CFD–Simulation mit EasyCFD 124 4.3. Zusammenfassung und Bewertung der Konvektionsmodelle 125 5. Herleitung und Anwendung des Simulationsmodells 127 5.1. Benennung und Beschreibung der Wärmetransportmechanismen 127 5.2. Algorithmus zur thermischen Simulation von transparenten Bauteilen 140 5.3. Auswertung der Messung und der Simulation bei Kastenfenstern 148 5.4. Validierte thermische Simulation der Kastenfenster 156 5.5. Auswertung der Messung bei dem Dachliegefenster 160 6. Energetische Ertüchtigung von Bestandsfenstern 163 6.1. Situation bei Bestandsfenstern 164 6.2. Beispiele für die energetische Fenstersanierung 166 6.2.1. Bestandskastenfenster 167 6.2.2. Kastenfenster mit K-Glass™ 171 6.2.3. Kastenfenster mit Wärmeschutzverglasung und K-Glass im Innenflügelpaar 174 6.2.4. Kastenfenster mit Wärmeschutzverglasung und K-Glass im Außenflügelpaar 178 6.2.5. Energetische Ertüchtigung durch zusätzliche Fensterebene 182 6.3. Ergebnisse der umgesetzten energetischen Ertüchtigung von Bestandsfenstern 186 7. Zusammenfassung und Ausblick 187 Literaturverzeichnis 189 Anhang 197 Anhang I. Begriffe und Kennzahlen der Strömungsmechanik 197 Anhang II. Eigenschaften von Gasen nach DIN EN 673 199 Anhang III. Berechnung des optimalen Scheibenabstandes 202 Anhang IV. Simulation des optimalen Scheibenabstandes 205 Anhang V. Hinweise zur statistischen Auswertung 20