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9. Anhang

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9.5 Heizwerte von Energieträgern und Baustoffen

9.7 Thermische Behaglichkeit

9.7.7 Kaltluftabfall an vertikaler Oberfläche

Die lokale Luftgeschwindigkeit an einer kalten, vertikalen Fläche kann gemäss SIA 180 [9.2] mit folgendem Ansatz ermittelt werden:

(A9.1)

Um die Luftgeschwindigkeiten in Abhängigkeit des Abstandes x von der kalten Fläche in 0.1 m über Boden abzuschätzen, wurden die Regressionskoeffizienten k gemäss Tabelle A9.2 für Räume ohne und mit konvektiven Wärmelasten bestimmt. Dabei wurden die Werte für den Fall ohne Wärmelasten experimentell [9.3], diejenigen für den Fall mit konvektiven Wärmelasten mithilfe von CFD-Simulationen [9.4] ermittelt. Im letzteren Fall wurde ein Raum (Abmessungen l · b · h = 5 m · 3 m · 3 m) mit Möblierung und internen konvektiven Wärmelasten angenommen. Der Impuls der Auftriebsströme bei den internen Wärmequellen verstärkt die Abwärtsströmung bei der kalten Fläche, womit höhere Luftgeschwindigkeiten am Fusse der kalten Fläche resultieren.

Bei der Beurteilung der Wärmelastsituation gilt es zu beachten, dass nur die konvektiven Wärmelasten betrachtet werden. Die sensible Wärmeabgabe einer Person bei einer ruhig sitzenden Tätigkeit beträgt total 70 W, der konvektive Anteil ca. 35 W. Bei elektrischen Geräten wird ca. 80 % der Wärmelast konvektiv abgegeben.

Berechnung des maximal zulässigen U-Wertes

Der maximal zulässige Wärmedurchgangskoeffizient U kann, unter Verwendung der Temperaturdifferenz Δθ zwischen der Raumluft und der kalten Oberfläche, mit folgender Gleichung ermittelt werden:

(A9.2)

Aus Gleichung A9.2 ist ersichtlich, dass die einfallende Solarstrahlung die Temperaturdifferenz Δθ und somit auch den Kaltluftabfall reduziert. Die kritischen Zustände sind somit bei fehlender Solarstrahlung zu erwarten.

Für den maximal zulässigen U-Wert des Bauteils Umax – bei einer maximal zulässigen Luftgeschwindigkeit vmax – gilt somit Gleichung A9.3 [9.2]:

(A9.3)

In den Abbildungen A9.1 bis A9.3 wird der Einfluss der Aussenlufttemperatur, der Draught Rate DR und der internen Wärmelasten auf den maximal zulässigen U-Wert aufgezeigt.

Beispiel maximal zulässiger Wärmedurchgangskoeffizienten U eines Bauteils in Abhängigkeit der Bauteilhöhe und der Aussenlufttemperatur für einen Raum mit internen Wärmelasten
Abbildung A9.1: Beispiel maximal zulässiger Wärmedurchgangskoeffizienten U eines Bauteils in Abhängigkeit der Bauteilhöhe und der Aussenlufttemperatur für einen Raum mit internen Wärmelasten (θi = 21 °C, Is = 0 W/m2, DR = 15 %,Tu = 50 %, Abstand x = 1 m)

Beispiel maximal zulässiger Wärmedurchgangskoeffizienten U eines Bauteils in Abhängigkeit zur Bauteilhöhe und Draught Rate DR für einen Raum mit internen Wärmelasten
Abbildung A9.2: Beispiel maximal zulässiger Wärmedurchgangskoeffizienten U eines Bauteils in Abhängigkeit zur Bauteilhöhe und Draught Rate DR für einen Raum mit internen Wärmelasten (θi = 21 °C, θe = 0 °C , Is = 0 W/m2, Tu = 50 %, Abstand x = 1 m)

Beispiel maximal zulässiger Wärmedurchgangskoeffizienten U eines Bauteils in Abhängigkeit zur Bauteilhöhe für einen Raum mit und ohne interne Wärmelasten
Abbildung A9.3: Beispiel maximal zulässiger Wärmedurchgangskoeffizienten U eines Bauteils in Abhängigkeit zur Bauteilhöhe für einen Raum mit und ohne interne Wärmelasten (θi = 21 °C, θe = -5 °C , Is = 0 W/m2, DR = 15 %,Tu = 50 %, Abstand x =1 m)

9.14a Sonnenschutz: Anforderungen und vereinfachte Berechnungsverfahren

Gesamtenergiedurchlassgrad des Fensters

Der Gesamtenergiedurchlassgrad eines Fensters setzt sich aus den Anteilen der Verglasung und des Fensterrahmens, gewichtet nach ihren Flächenanteilen, gemäss nachfolgender Formel A9.4 zusammen. Der Bereich der wärme- und solartechnischen Grössen von Verglasungen ohne und mit Sonnenschutz sind in Tabelle A9.3 und A9.4 dargestellt, der Bereich des Gesamtenergiedurchlassgrades von Fensterrahmen unterschied-licher Farbe und Rahmen-U-Werte in Tabelle A9.5:

(A9.4)

Abbildung A9.4: Gesamtenergiedurchlassungsgrad gf von Fensterrahmen ersetzt Tabelle 9.14.5

9.14b Nachweisverfahren zum sommerlichen Wärmeschutz nach SIA 180:2014 (9.2)

Das Gebäude ist so zu projektieren und auszuführen, dass die Behaglichkeitsanforderungen (zulässiger Bereich der empfundenen Temperatur gemäss Abbildung A1.3) bei Nutzungen mit mässi-
gen internen spezifischen Wärmeeinträgen von 120 Wh/m2 pro Tag, bei korrekter Bedienung der beweglichen Sonnenschutzeinrichtungen und bedarfsgerechter natürlicher Lüftung, ohne aktive Kühlung, erfüllt sind.

Die Norm SIA 180:2014 [9.2] gibt drei mögliche Nachweisverfahren zum sommerlichen Wärmeschutz an, welche die Problemkreise Nachtauskühlung, Sonnenschutz, Wärmedämmung und Wärmespeicherfähigkeit behandeln. Die drei Verfahren sind in Tabelle A9.6 einander gegenübergestellt.

Das Verfahren 1 beinhaltet einfache Kriterien zur Wahl der zulässigen Fenstergrösse von Wohn- und Bürobauten mit einem Sonnenschutz von maximal g = 0.10, eine beschränkte Auswahl von Bauteilkonstruktionen des Raumes mit einer genügenden Wärmespeicherfähigkeit und eine effiziente Nachtauskühlung durch natürliche Lüftung mit einem Aussenluft-Volumenstrom pro Nettogeschossfläche von mindestens 10 m3/(h . m2).

Der maximale Glasanteil eines Raumes mit Personenbelegung darf die in Tabelle A9.7 angegebenen Werte nicht überschreiten.

Das Verfahren 2 verlangt ebenfalls eine effiziente Nachtauskühlung durch natürliche Lüftung mit einem Aussenluft-Volumenstrom pro Nettogeschossfläche von mindestens 10 m3/(h . m2), lässt aber einen grösseren Spielraum bezüglich Fenstergrösse und erforderlichem Sonnenschutz (g-Wert abhängig vom Glasanteil und der Orientierung der Fassade) zu (siehe «Bauphysik» Ausgabe 2014, Anhang 9.14). Die innere Oberflächentemperatur in der Mitte der Glasfläche des Fensters darf bei betätigtem Sonnenschutz maximal 5 K über der Raumlufttemperatur liegen. Dachkonstruktionen über bewohnten Dachräumen müssen einen dynamischen Wärmedurchgangskoeffizienten U24 von maximal 0.20 W/(m2 . K) aufweisen. Die auf die Nettogeschossfläche bezogene Wärmespeicherfähigkeit CR/ANGF des Raumes muss mindestens 45 Wh/m2 . K) betragen.

Das Verfahren 3 verlangt eine Simulation mit einem dynamischen thermischen Rechenverfahren zur Darstellung des stündlichen Verlaufs der empfundenen Temperatur im Sommer bei vorgegeben Randbedingungen gemäss SIA 180:2014, Anhang C.1. Mit diesen Randbedingungen werden die Gebäudehülle und die vorhandene Gebäudemasse bezüglich dem sommerlichen Wärmeschutz überprüft. Mit dem vorgegebenen erhöhten Aussenluft-Volumenstrom pro Nettogeschossfläche von 10 m3/(h . m2) zum Abführen der Wärme beim Erreichen einer festgelegten Grenztemperatur wird die verfügbare Raumspeicherfähigkeit getestet. Die empfundenen Temperaturen dürfen die obere Grenzkurve von Abbildung A1.3 nicht überschreiten. Dieses Verfahren lässt einen grossen Spielraum bei der Planung eines Gebäudes zu. Die Resultate einer dynamischen thermischen Simulation für einen Raum mit einer mittleren Wärmespeicher-fähigkeit und einem Glasanteil von fg = 60 % sind beispielhaft in Abbildung A9.4 für den sommerlichen Wärmeschutznachweis am Klimastandort Zürich MeteoSchweiz dargestellt.

Zur Überprüfung der thermischen Behaglichkeit in Räumen mit natürlicher Lüftung muss zusätzlich ein Rechengang mit den realen Randbedingungen gemäss SIA 180:2014, Anhang C.2, durchgeführt werden. Dies ermöglicht die effektiven internen Wärmelasten gemäss Nutzung (Merkblatt SIA 2024 [9.8]) und die effektive natürliche Lüftung mit einem dynamischen Modell zur Bestimmung der Aussenluftraten mit einer Fensterlüftung zu berücksichtigen (z.B. mit dem Rechenansatz gemäss Formel A4.1). Die empfundenen Temperaturen dürfen die obere Grenzkurve von Abbildung A1.3 nicht überschreiten. Die Resultate einer dynamischen thermischen Simulation für einen Raum mit einer mittleren Wärmespeicherfähigkeit, einem Glasanteil fg = 60 % und internen Wärmeeinträgen von 180 Wh/m2 pro Tag sind beispielhaft in Abbildung A9.5 für die sommerliche empfundene Temperatur am Klimastandort Zürich MeteoSchweiz dargestellt.

Ist keine natürliche Lüftung möglich, muss der Nachweis mittels Simulation und den Randbedingungen gemäss SIA 382/1:2014, Anhang E [9.7], geführt werden.

Abbildung A9.4: Beispiel zum rechnerischen Nachweis des sommerlichen Wärmeschutzes für einen Raum (4 m x 4 m x 2.5 m) mit einer mittleren Wärmespeicherfähigkeit und einem Glasanteil von fg = 60 % (Randbedingungen nach SIA 180:2014, Anhang C.1)

Abbildung A9.5: Beispiel zum Nachweis der sommerlichen empfundenen Temperatur für einen Raum (4 m x 4 m x 2.5 m) mit einer mittleren Wärmespeicherfähigkeit, einem Glasanteil fg = 60 %, internen Wärmeeinträgen von 180 Wh/(m2 . d) und einseitiger Lüftung über einen Fensterflügel B = 0.5 m / H = 1.0m (Randbedingungen nach SIA 180:2014, Anhang C.2)

9.18 Terz-/Oktavmittenfrequenzen und Bewertungs-/Normkurven

9.32 Literatur: Anhang

[9.1] SIA Norm 380, Grundlagen für energetische Berechnungen von Gebäuden, Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich, 2015
[9.2] SIA 180, Wärmeschutz, Feuchteschutz und Raumklima in Gebäuden, Schweizerischer Ingenieur- und Architekten-Verein, Zürich, 2014
[9.3] Heiselberg P.: Draught Risk from Cold Vertical Surfaces, Building and Environment 29 (1994), 297–301
[9.4] Manz H., Frank Th.: Analysis of Thermal Comfort near Cold Vertical Surfaces by Means of Computational Fluid Dynamics, Indoor and Built Environment 13 (2004),
233–242
[9.5] Glas im Bauwesen – Bestimmung der lichttechnischen und strahlungsphysikalischen Kenngrössen von Verglasungen, EN 410, CEN Brüssel
[9.6] Sonnenschutzeinrichtungen in Kombination mit Verglasungen – Berechnung der Solarstrahlung und des Lichttransmissionsgrades – Teil 1: Vereinfachtes Verfahren, EN 13363-1:2003+A1:2007, CEN Brüssel
[9.7] SIA 382/1, Lüftungs- und Klimaanlagen – Allgemeine Grundlagen und Anforderungen, Schweizerischer Ingenieur- und Architekten-Verein, Zürich, 2014
[9.8] Merkblatt SIA 2024, Standard-Nutzungsbedingungen für die Energie- und Gebäudetechnik, Schweizerischer Ingenieur- und Architekten-Verein, Zürich (in Revision)
[9.9] SIA Norm 181, Schallschutz im Hochbau, Schweizerischer Ingenieur- und Architektenverein, Zürich, 2006

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