Thermische Bauteilaktivierung

NEUES AUS DER
FORSCHUNG
FÜR DIE LEHRE
Forschungsgeleitete Lehre
Karin Stieldorf
Vienna University of Technology
NEUER SOZIALER WOHNBAU - FÜR ALLE!
REFUGEES@HOMES URGENTLY NEEDED
NEUE THEMEN IM WOHNBAU
− Mischung von Generationen, Einkommen, Schichtung, Kultur
− Nutzungsmischung (Wohnen, Arbeiten, öff.+gemeinsame Einrichtungen)
− Stadt der kurzen Wege und Radfahrer
− Exzellenter öffentlicher Verkehr
− Dichte und Größe
− neue funktionale Überlegungen
− Anpassbarkeit / Flexibilität/ Resilienz
− Gärtnern und Lebensmittelerzeugung in der Stadt
−
−
−
−
regionale Baustoffe und Handwerk
Qualität statt Quantität
Haltbarkeit, Reparierbarkeit, Lebensdauer,
Recycling, Upcycling
− Ermöglichen eine nachhaltigen Lebensweise
− Soziale Überlegungen / Nachbarschaftsförderung
FORSCHUNGSPROJEKT
Make Your City (Smart) !
ffg Smart City 6 Sondierung
quelle: Holzmarkt.com
Ausgangslage
übergeordnete Ziele
•
Steigender Bedarf an kostengünstigem
Wohnraum.
•
Zunahme an Projekte mit Gemeinschaftssinn und
steigendem Wunsch nach Mitbestimmung und gestaltung (z.B. Baugruppen).
•
positive ökologische, ökonomische und soziale
Begleiterscheinungen des Selbstbaus
Stadt Wien:
•
Sensibilisierung der Bewohner für
Energieeffizienz, -suffizienz und Klimaschutz
durch unmittelbare Auseinandersetzung.
•
Die Entwicklung von Informationstools zur
Bewusstseinsförderung für die Beeinflussbarkeit
des persönlichen „Carbon Footprint“.
•
Smart Citizens: Unterstützung von
Selbstorganisation und zivilgesellchaftlichem
Engangement.
David Harvey:
•
Stadtproduktion als kooperatives Werk aller
StadtbewohnerInnen.
Make Your City (Smart) ! - Projektziele
•
Aufzeigen der entscheidenden
Bewertungskriterien für das Gelingen von
urbanem Selbstbau
•
Entwicklung einer mehrgeschossigen,
typologieoffenen, multiplizierbaren, ökologischen
Low-Tech und Low-Cost Selbstbauweise.
•
Erstellung eines allgemeinverständlichen Toolkits
für baulich-konstruktive Lösungen im
gemeinschaftlichen Selbstbau, abgestimmt nach
dem tatsächlichen Bedarf.
•
Identifizieren und Einbinden von AkteurInnen, die
für eine Selbstbaugruppe relevant sind.
Nebenziele
•
Nutzungsoffenheit, Grundrissflexibilität
•
Leichte Adaptierbarkeit, Rückbaubarkeit,
Wiederverwendbarkeit
•
Hohe strukturelle Variabilität mit einfachen Mitteln:
kreative kollektive Ausdrucksmöglichkeiten der
AkteurInnen ermöglichen.
•
Geschwindigkeit von Selbstbauprozessen erhöhen.
•
Teilnahme-Niederschwelligkeit,
Inklusion an Bauprozessen.
•
Energie- und Nahrungsmittelproduktion am Gebäude.
•
Geringe Bodenversiegelung,
kleinerer Fußabdruck allgem.
•
Kompetenzerwerb aller Beteiligten
historische Beispiele
Referenzen
LeCorbusier, Domino-House, 1914
historische Beispiele
Eric Friberger, Schnitt Däckshus, Göteborg, 1960
Filip Dujardin, Untitled, Fictions #9 (2010)
historische Beispiele
Filip Dujardin, Untitled, Fictions #4 (2009)
Grundbau und Siedler, Köln, Sozietät für Architektur
Primärrohbau, Sekundärausbau in Eigenleistung
Grundbau und Siedler, Köln, BeL Sozietät für
Architektur
Primärrohbau, Sekundärausbau in Eigenleistung
Ritterstraße 50 - Jesko Fezer,
Berlin
Primärrohbau, Sekundärausbau in Eigenleistung
Ritterstraße 50 - Jesko Fezer,
Berlin
Primärrohbau, Sekundärausbau in Eigenleistung
Das neue Stadthaus - Raith
NonConform
Primärrohbau, Sekundärausbau in Eigenleistung
Primärrohbau, Sekundärausbau in Eigenleistung
Europäische Schule in Frankfurt, NKBAK Architekten
Fertig vorausgebaute, stapelbare Raummodule
Europäische Schule in Frankfurt, NKBAK Architekten
Fertig vorausgebaute, stapelbare Raummodule
Research on heat storage
PARAMETER STUDY ABOUT THE EFFECT ON THE HEAT STORAGE
OF EXTERNAL WALLS SUITED FOR PASSIV HOUSES
Simulation of the thermal behaviour of a living room
in a passive house
WAND 05
36,0 cm Vollwärmeschutzfassade
20,0 cm Porotherm 20-40 SBZ Plan
1,5 cm Gipsinnenputz
36,0 cm Vollwärmeschutzfassade
20,0 cm STB-Beton-Wand
1,5 cm Gipsinnenputz
4 1
4 1
4 1
WAND 02
4 1
36,0 cm Vollwärmeschutzfassade
20,0 cm Porotherm 20-40 Objekt Plan Lehmziegel
3,0 cm Lehminnenputz
4 1
WAND 04
36,0 cm Vollwärmeschutzfassade
20,0 cm Porotherm 20-40 Objekt Plan
1,5 cm Gipsinnenputz
4 1
WAND 01
4 1
Putzträgerplatte, Heraklith
Hinterlüftung bzw. Holzquerlatten 5/5
OSB-Platte
TJI/PRO-350-Stiele / Zellulosedämmung
DWD-Platte diffusionsoffen
Installationsebene bzw. Holzquerlatten 5/5
Gipsfaserplatte
50
360
360
220
360
220
220
360
220
360
360
360
200
10
30
200
10
221
24
24
500
221
221
7
14 10 14 10 14 15
14 10 14 10 14
10 14 10 14 10 2
10 14 10 14 10
14 10 14 10 14 11 14 10 14 10 14
402
402
4
30
95
58
15
15
221
30
6
4
6
20
20
15
10
10
15
10
10
30
38
50
15
15
50
18
18
30
30
15
4
5
10
6
10
20
15
4
5
10
6
10
20
5
5
280
356
360
16
38
16
50
1
4
20 1
4
20
2,0 cm
5,0 cm
1,6 cm
35,6 cm
1,8 cm
5,0 cm
1,5 cm
4 1
WAND 03
7
3
49
14 10 14 10 14
14 10 14 10 14 15
10 14 10 14 10
10 14 10 14 10 2
14 10 14 10 14 11 14 10 14 10 14
3
402
402
70
60
71
71
201
60
70
201
402
201
201
201
201
402
34,0
90,8
118,1
145,0
233,9
14,5%
38,8%
50,5%
62,0%
100,0%
Effective heat capacities [kJm-2K-1] (acc. to EN ISO 13786)
Heat storage
Parameter study about the effect on the heat storage
of external walls suited for passiv houses
Simulation of the thermal behaviour of a living room
summer case: failure of the blind during one day
29
Wand01
Wand02
Wand03
Wand04
Wand04a
Wand05
28.5
28
Lufttemperatur [°C]
27.5
27
26.5
26
25.5
25
24.5
24
0
6
12
18
24
30
36
42
48
54
60
66
72
78
84
90
96
102
108
Zeit [h]
Smart Buildings – Planning for the future 2010
114
120
Heat storage
Parameter study about the effect on the heat storage
of external walls suited for passiv houses
Simulation of the thermal behaviour of a living room
winter case 1: momentary ventilation
20.5
20.4
20.3
20.2
20.1
20
19.9
Lufttemperatur [°C]
19.8
19.7
19.6
Wand01
Wand02
Wand03
Wand04
Wand04a
Wand05
19.5
19.4
19.3
19.2
19.1
19
18.9
18.8
18.7
18.6
18.5
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Uhrzeit [h]
Smart Buildings – Planning for the future 2010
21
22
23
24
Heat storage
Parameter study about the effect on the heat storage
of external walls suited for passiv houses
Simulation of the thermal behaviour of a living room
winter case 2: failure of heating system during one week
21
20.5
20
19.5
19
Lufttemperatur [°C]
18.5
18
17.5
Wand01
Wand02
Wand03
Wand04
Wand04a
Wand05
17
16.5
16
15.5
15
14.5
14
13.5
-2
-1
0
1
2
3
4
5
6
Zeit (Tag Nr.)
7
8
9
10
11
12
13
14
ENTWURF - RICHTLINIEN
Optimierungsmaßnahmen Baukörper
Optimierungsziele:
Reduktion der Wärmeverluste
über die Gebäudehülle
Parameter:
Optimierung der passiven
solaren Gewinne
Optimierung der
Tageslichtnutzung
Optimierung der Erträge aus PV
und Solarthermie
Optimierung sommerliches
Temperaturverhalten
Unterschiedliche
Wechselwirkungen
Kompaktheit
Verglasungsanteil der
Südfassade
Integration von PV und
Solarthermie in
südorientierte
Außenbauteile der
Gebäudehülle
DESIGN GUIDELINES
PARAMETER FÜR SIMULATIONSREIHEN
•
•
•
•
•
•
Standort
Orientierung
Bauweise
Baukörper
Verglasungsanteil in der Südfassade
Verschattungssituation
BAUPRODUKTE – MANAGEMENT
ökologischer Vergleich von Baustoffen
Type
PEI
GWP [kg
AP [kg
OI3
[MJ/m²]
CO2/m²
SO2/m³]
U Wert
Wand-
[W/m²K]
stärke
[cm]
Stahlbeton
1.130,44
87,61
0,36
64
0,116
50,49
1.112,33
59,05
0,25
44
0,115
56,69
701,75
-29,29
0,26
17
0,116
50,30
446,48
-147,15
0,22
-16
0,090
67,34
350,26
-79,12
0,18
-14
0,122
49,40
Außenwand,
WDVS
Hochlochziegel
Außenwand,
WDVS
HolzständerAußenwand,
hinterlüftet
S-HOUSE
Wandaufbau
Stegträger
Strohwand
VERGLEICH DES WÄRMEBEDARFS
unterschiedlicher Standorte in Österreich
Wien
Orientierung
V1
V2
Innsbruck
V3
V1
V3
V1
V2
Mallnitz
V3
V1
V2
V3
135°
6,43
5,38
4,66
6,1
4,64
3,2
8,49
8,11
6,64
11,83
8,12
8,26
150°
4,9
4,22
4,18
5,71
3,46
2,62
8,12
6,48
4,77
11,49
7,78
5,77
165°
3,99
3,98
3,92
5,41
3,17
2,27
7,84
6,17
4,47
11,24
7,53
5,43
180° = süd
3,95
3,92
3,81
5,34
3,07
2,19
7,66
6,06
4,39
11,13
7,43
5,24
195°
3,97
3,95
3,85
5,4
3,21
2,43
7,79
6,15
4,57
11,19
7,5
5,39
210°
4,04
4,07
4,12
5,67
3,59
2,77
8,04
6,43
4,93
11,4
7,74
5,7
225°
5,41
4,38
4,5
6,09
4,86
3,43
8,4
7,93
5,72
11,72
8,37
8,18
Legende - Orientierung:
RHnV1W1
RHnV1W2
RHnV1W3
RHnV1W
RHnV1W4
RHnV1W5
RHnV1W6
V2
Klagenfurt
Orientierung der „Süd“-Fassade 165°
Orientierung der „Süd“-Fassade 150°
Orientierung der „Süd“-Fassade 135°
Orientierung der „Süd“-Fassade 180°
Orientierung der „Süd“-Fassade 195°
Orientierung der „Süd“-Fassade 210°
Orientierung der „Süd“-Fassade 225°
Legende:
V1 - kleine Südverglasung, OIB-Mindestanforderungen
V2 - mittlere Südverglasung, OIB-Mindestanforderungen x 2
V3 - große Südverglasung, OIB-Mindestanforderungen x 4
VERGLEICH DER SOMMERTAUGLICHKEIT
unterschiedlicher Standorte in Österreich
Thermische Bauteilaktivierung
Klaus Kreč
Büro für Bauphysik
Schönberg am Kamp
© Dr. Klaus Kreč
Arbeitsgruppe Nachhaltiges Bauen
Institut für Architektur und Entwerfen
Workshop TU Wien
8. März 2016
Folie 33
Thermische Bauteilaktivierung der Geschoßdecke
Beton
Heizund Kühlregister
Bewehrung
Quelle: REHAU - Akademie
© Dr. Klaus Kreč
Workshop TU Wien
8. März 2016
Folie 34
Thermische Bauteilaktivierung der Geschoßdecke
Beton
Heizund Kühlregister
Quelle: Zement+Beton
Baustahlgitter
Fertigteil-Decke
© Dr. Klaus Kreč
Workshop TU Wien
8. März 2016
Folie 35
Thermische Bauteilaktivierung der Geschoßdecke
Quelle: © Aichinger
© Dr. Klaus Kreč
Workshop TU Wien
8. März 2016
Folie 36
Thermische Bauteilaktivierung der Geschoßdecke
Quelle: © Aichinger
© Dr. Klaus Kreč
Workshop TU Wien
8. März 2016
Folie 37
Vorgangsweise
Thermische Bauteilaktivierung der Geschoßdecke
Zwei- und dreidimensionale Modellierung einer thermisch aktivierten Decke
Berechnungsmodell
(Beispiel)
Aufbau:
1,0 cm Bodenbelag
6,0 cm Zementestrich
3,0 cm Trittschalldämmung
10,0 cm Dämmschüttung
25,0 cm Stahlbetondecke
Verwendetes
Wärmebrückenprogramm:
AnTherm V7.126
© 2014 M. Kornicki
Rohrregister
Berechnungsergebnisse:
Temperaturverteilungen, Wärmeströme, Thermische Leitwerte
Berechnungen stationär (zeitunabhängig) und instationär (zeitabhängig)
© Dr. Klaus Kreč
Workshop TU Wien
8. März 2016
Folie 38
Vorgangsweise
Thermische Bauteilaktivierung der Geschoßdecke
Berechnungsmodell
Bild der
Wärmestromlinien
Rohr 17 x 2,0
50 mm Überdeckung
d … Breite des Berechnungsausschnitts
© Dr. Klaus Kreč
Workshop TU Wien
d
d … Achsabstand der Rohre
8. März 2016
Folie 39
Vorgangsweise
PARAMETERSTUDIEN
Parameter: Höhenlage des Rohrregisters / Achsabstand der Rohre
Berechnete Fälle: Betonüberdeckung 5, 10 und 15 cm
Betonüberdeckung
d
Rohr 17 x 2,0; Achsabstand der Rohre d wird variiert
© Dr. Klaus Kreč
Workshop TU Wien
8. März 2016
Folie 40
Ergebnisse
PARAMETERSTUDIEN
Parameterstudie: Betonüberdeckung / Achsabstand der Rohre
Rohr 17 x 2,0
© Dr. Klaus Kreč
Workshop TU Wien
8. März 2016
Folie 41
Auswertung
PARAMETERSTUDIEN
Parameterstudie: Betonüberdeckung + Achsabstand der Rohre
Λ
Anwendung:
q= Λ ⋅ (Θ r − Θ u )
Betonüberdeckung: 50 mm
q … flächenbezogene Wärmeabgabeleistung [Wm-2]
Θr … Temperatur des Heizmediums („Rohr“) [°C]
Θu … Lufttemperatur im Raum unter der Decke [°C]
Rohr 17 x 2,0
© Dr. Klaus Kreč
Workshop TU Wien
8. März 2016
Folie 42
Heizmitteltemperatur
Quelle: © S. Handler
Quelle: © S. Handler
Wärmepumpe
Sonnenkollektor
Strombedarf gedeckt z. B. durch: Photovoltaik,
Windstrom,
Nachtstrom, …
Niedertemperaturheizung ideal für die Nutzung Erneuerbarer Energien
© Dr. Klaus Kreč
Workshop TU Wien
8. März 2016
Folie 43
Beispiel: Solarthermie - Bauteilaktivierung
Gemeindezentrum Hallwang (Salzburg)
© Dr. Klaus Kreč
Workshop TU Wien
8. März 2016
Folie 44
Heizungsunterbrechung
Instationäre Berechnungen
Tagesverlauf der Wärmeabgabeleistung bei 8-stündiger Beladungszeit
qs (t )
qs (t )
© Dr. Klaus Kreč
Workshop TU Wien
8. März 2016
Folie 45
Heizungsunterbrechung
Instationäre Berechnungen
Tagesverlauf der Oberflächentemperatur bei 8-stündiger Beladungszeit
Θ s (t )
Θ s (t )
© Dr. Klaus Kreč
Workshop TU Wien
8. März 2016
Folie 46
Thermischer Komfort
Modellraum
Grundriss
Lichte Raumhöhe: 2,90 m
© Dr. Klaus Kreč
Workshop TU Wien
8. März 2016
Folie 47
operative Temperatur
Modellraum
Berechnung der operativen Temperatur
Gegenüberstellung: rein konvektive Beheizung ↔ Bauteilaktivierung
Annahmen:
Standort: Klagenfurt
Klima: mittlerer Januar-Tag
Soll-Temperatur: 20,0 °C
Bauteilaktivierung
Rohr 17 x 2,0
Rohrabstand: 15 cm
Betonüberdeckung: 5 cm
Registerfläche: 24,5 m2
Aktivierung der Decke
Selbstregelungseffekt der Bauteilaktivierung
© Dr. Klaus Kreč
Workshop TU Wien
8. März 2016
Folie 48
Temperaturverteilung
Modellraum
Thermischer Komfort
Strahlungsfeld im Raum
19.0
19.2
19.4
19.6
19.8
20.0
20.2
20.4
19.8
0.5
1.0
20.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
beheizte Deckenfläche: 24,5 m2
4.0
4.5
20.5
5.0
5.5
19.5
6.0
6.5
-0.5
mittlerer Januar-Tag, 800, Klagenfurt
© Dr. Klaus Kreč
Workshop TU Wien
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
5.0
5.5
Horizontalschnitt:1,80 m über dem Fußboden
8. März 2016
Folie 49
Temperaturverteilung
Modellraum
Thermischer Komfort
Strahlungsfeld im Raum
19.2
19.4
19.6
19.8
20.0
20.2
20.4
20.6
19.4
0.5
20.0
1.0
1.5
2.0
3.5
Decke
3.0
Fußboden
2.5
21.0
4.0
20.5
4.5
5.0
5.5
20.2
6.0
6.5
mittlerer Januar-Tag, 800, Klagenfurt
© Dr. Klaus Kreč
Workshop TU Wien
-1.5
-1.0
-0.5
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
Vertikalschnitt durch Fenster nord
8. März 2016
Folie 50
Literatur
Forschungsbericht:
„Energiespeicher Beton“
Klaus Kreč
wird publiziert in der Schriftenreihe des
im Auftrag der Vereinigung der Österreichischen Zementindustrie
http://www.nachhaltigwirtschaften.at/publikationen/schriftenreihe.html
Planungsleitfaden:
verfügbar seit 15. April 2016
© Dr. Klaus Kreč
Workshop TU Wien
8. März 2016
Folie 51
Conclusio
Die thermische Aktivierung der Decke
 ist zur alleinigen Beheizung von Niedrigenergie- und Passivhäusern geeignet und
kann ohne großen Mehraufwand auch als Kühlsystem eingesetzt werden,
 ist ohne großen technischen Aufwand kostengünstig umsetzbar,
 gewährleistet hohen thermischen Komfort innerhalb des Gebäudes,
 ist für die Nutzung erneuerbarer Energien prädestiniert
 und bietet Flexibilität in Hinblick auf Nutzungsänderungen.
Arbeitsgruppe Nachhaltiges Bauen
Institut für Architektur und Entwerfen
Dr. Kreč
Büro für Bauphysik
Schönberg am Kamp
www.krec.at
© Dr. Klaus Kreč
Workshop TU Wien
8. März 2016
Folie 52
CONFIG.HOME
CHANGING USER BEHAVIOR
WEITER/ENTWICKLUNG VON TABLET UND NUTZERFÜHRUNG
ZIEL: SENKUNG DES ENERGIEVERBRAUCHS
Konsortium LISI
LISI BLU I Karin Stieldorf / Gerhard Hanzl
53
LISI – THE HOUSE
c
Aufbau
LISI – The House of Solar Decathlon Team
Austria 2013
55
Contest 10 – energy balance
LISI – The House of Solar Decathlon Team
Austria 2013
56
HILFE FÜR GEBÄUDE-NUTZER
Nutzerverhalten Reloaded
57
MONITORING DES TUHOCHHAUSES
Feedback für Projekte und
Weiterentwicklung
TU Wien und Partner (Schöberl & Pöll GmbH, …..)
TU Wien und Partner (Schöberl & Pöll GmbH, …..)
TU Wien und Partner (Schöberl & Pöll GmbH, …..)
Energieverbrauch in Bürogebäuden in kWh/m2
500
400
300
Ertrag durch Fotovoltaik
in kWh/m2
200
100
0
Derzeitiger Standard
Plus-Energie-Bürohochhaus
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!