Ventilative Kühlung - Ventilative cooling

Ein Flügelfenster mit zwei Flügeln, die zur Steuerung von Luftströmen und Temperaturen eingestellt werden können

Ventilative Kühlung ist die Verwendung natürlicher oder mechanischer Belüftung zur Kühlung von Innenräumen. Die Verwendung von Außenluft reduziert die Kühllast und den Energieverbrauch dieser Systeme, während die Innenraumbedingungen von hoher Qualität bleiben. Durch passive Lüftungskühlung kann der Energieverbrauch gesenkt werden. Ventilative Kühlstrategien werden in einer Vielzahl von Gebäuden angewendet und können sogar für die Realisierung renovierter oder neuer hocheffizienter Gebäude und Zero-Energy-Gebäude ( ZEBs ) von entscheidender Bedeutung sein. Die Belüftung von Gebäuden erfolgt hauptsächlich aus Gründen der Luftqualität . Es kann zusätzlich verwendet werden, um sowohl überschüssige Wärmegewinne zu entfernen als auch die Luftgeschwindigkeit zu erhöhen und dadurch den thermischen Komfortbereich zu erweitern. Die ventilative Kühlung wird anhand von Langzeitbewertungsindizes bewertet. Die ventilative Kühlung hängt von der Verfügbarkeit geeigneter äußerer Bedingungen und von den thermischen physikalischen Eigenschaften des Gebäudes ab.

Hintergrund

In den letzten Jahren war die Überhitzung von Gebäuden nicht nur während der Entwurfsphase, sondern auch während des Betriebs eine Herausforderung. Die Gründe sind:

  • Hochleistungsenergiestandards, die den Heizbedarf in heizungsdominierten Klimazonen senken. Hauptsächlich beziehen sich auf Erhöhung der Isolationsebenen und Beschränkung Infiltrationsraten
  • Das Auftreten höherer Außentemperaturen während der Kühlsaison aufgrund des Klimawandels und des Wärmeinseleffekts wird in der Entwurfsphase nicht berücksichtigt
  • Interne Wärmegewinne und Belegungsverhalten wurden während der Entwurfsphase (Leistungslücke) nicht genau berechnet.

In vielen Komfortstudien nach der Belegung ist Überhitzung nicht nur in den Sommermonaten, sondern auch in den Übergangszeiten, auch in gemäßigten Klimazonen, ein häufig berichtetes Problem.

Potenziale und Einschränkungen

Die Wirksamkeit der ventilativen Kühlung wurde von vielen Forschern untersucht und in vielen Berichten zur Bewertung nach der Belegung dokumentiert. Die Wirksamkeit der Systemkühlung ( natürliche oder mechanische Belüftung ) hängt von der einstellbaren Luftströmungsrate , der Wärmekapazität der Konstruktion und der Wärmeübertragung der Elemente ab. In kalten Zeiten ist die Kühlleistung der Außenluft groß. Das Risiko von Zugluft ist ebenfalls wichtig. Während der Sommer- und Übergangsmonate reicht die Außenluftkühlleistung möglicherweise nicht aus, um die Überhitzung in Innenräumen tagsüber auszugleichen, und die Anwendung der Lüftungskühlung ist nur während der Nachtzeit begrenzt. Die Nachtlüftung kann tagsüber effektiv akkumulierte Wärmegewinne (intern und solar ) in den Gebäudekonstruktionen entfernen . Zur Beurteilung des Kühlpotentials des Standorts wurden vereinfachte Methoden entwickelt. Diese Methoden verwenden hauptsächlich Informationen zu Gebäudeeigenschaften, Komfortbereichsindizes und lokale Klimadaten. Bei den meisten vereinfachten Verfahren wird die thermische Trägheit ignoriert.

Die kritischen Einschränkungen für die ventilative Kühlung sind:

Bestehende Vorschriften

Die Anforderungen an die Lüftungskühlung in Vorschriften sind komplex. Bei der Berechnung der Energieeffizienz in vielen Ländern weltweit wird die ventilative Kühlung nicht explizit berücksichtigt. Die verfügbaren Tools für die Berechnung der Energieeffizienz eignen sich nicht zur Modellierung der Auswirkungen und der Wirksamkeit der Lüftungskühlung, insbesondere durch jährliche und monatliche Berechnungen.

Fallstudien

Eine große Anzahl von Gebäuden mit Lüftungskühlungsstrategien wurde bereits auf der ganzen Welt gebaut. Ventilative Kühlung findet sich nicht nur in der traditionellen Architektur vor der Klimatisierung, sondern auch in temporären europäischen und internationalen Niedrigenergiegebäuden . Für diese Gebäude haben passive Strategien Priorität. Wenn passive Strategien nicht ausreichen, um Komfort zu erreichen, werden aktive Strategien angewendet. In den meisten Fällen wird für die Sommerperiode und die Übergangsmonate eine automatisch gesteuerte natürliche Belüftung verwendet. Während der Heizperiode wird aus Gründen der Raumluftqualität eine mechanische Belüftung mit Wärmerückgewinnung verwendet . Die meisten Gebäude weisen eine hohe thermische Masse auf . Das Benutzerverhalten ist ein entscheidendes Element für die erfolgreiche Durchführung der Methode.

Bauteile und Steuerungsstrategien

Gebäudekomponenten der ventilativen Kühlung werden auf allen drei Ebenen der klimasensitiven Gebäudeplanung angewendet, dh Standortgestaltung, architektonische Gestaltung und technische Eingriffe. Eine Gruppierung dieser Komponenten folgt:

Regelstrategien in ventilativen Kühllösungen müssen die Größe und Richtung der Luftströme in Raum und Zeit steuern. Effektive Steuerungsstrategien gewährleisten einen hohen Komfort in Innenräumen und einen minimalen Energieverbrauch . Strategien umfassen in vielen Fällen die Temperatur- und CO2-Überwachung. In vielen Gebäuden, in denen die Bewohner die Bedienung der Systeme gelernt hatten, wurde eine Reduzierung des Energieverbrauchs erreicht. Hauptsteuerungsparameter sind Betriebstemperatur (Luft und Strahlung) (sowohl Spitzen- als auch tatsächliche oder durchschnittliche Temperatur), Belegung, Kohlendioxidkonzentration und Luftfeuchtigkeit. Automatisierung ist effektiver als persönliche Kontrolle. Die manuelle Steuerung oder manuelle Übersteuerung der automatischen Steuerung ist sehr wichtig, da sie die Akzeptanz und Wertschätzung des Innenraumklimas durch den Benutzer positiv beeinflusst (auch die Kosten). Die dritte Möglichkeit besteht darin, dass der Betrieb der Fassaden der persönlichen Kontrolle der Bewohner überlassen bleibt, das Gebäudeautomationssystem jedoch aktives Feedback und spezifische Ratschläge gibt.

Bestehende Methoden und Werkzeuge

Die Gebäudeplanung zeichnet sich durch unterschiedliche Detailgestaltungsstufen aus. Um den Entscheidungsprozess für ventilative Kühllösungen zu unterstützen, werden Luftströmungsmodelle mit unterschiedlicher Auflösung verwendet. Abhängig von der erforderlichen Detailauflösung können Luftströmungsmodelle in zwei Kategorien eingeteilt werden:

  • Modellierungswerkzeuge im Frühstadium, einschließlich empirischer Modelle, Monozonenmodelle, zweidimensionaler Luftströmungsnetzwerkmodelle und
  • Detaillierte Modellierungswerkzeuge, darunter Luftströmungsnetzwerkmodelle, gekoppelte BES-AFN-Modelle, Zonenmodelle, Computational Fluid Dynamic und gekoppelte CFD-BES-AFN-Modelle.

Die vorhandene Literatur enthält Übersichten über verfügbare Methoden zur Modellierung des Luftstroms.

IEA EBC Anhang 62

Anhang 62 „Ventilative Kühlung“ war ein Forschungsprojekt des Programms „ Energie in Gebäuden und Gemeinden (EBC)“ der Internationalen Energieagentur (IEA) mit einer vierjährigen Arbeitsphase (2014–2018). Das Hauptziel war es, die ventilative Kühlung zu einer attraktiven und energieeffizienten Kühllösung zu machen, um eine Überhitzung sowohl neuer als auch renovierter Gebäude zu vermeiden . Die Ergebnisse aus dem Anhang ermöglichen bessere Möglichkeiten zur Vorhersage und Abschätzung des Wärmeabfuhr- und Überhitzungsrisikos - sowohl für Entwurfszwecke als auch für die Berechnung der Energieeffizienz. Die dokumentierte Leistung von Lüftungskühlsystemen durch Analyse von Fallstudien zielte darauf ab, den Einsatz dieser Technologie in zukünftigen Hochleistungs- und konventionellen Gebäuden zu fördern. Um das Hauptziel zu erreichen, hatte der Anhang folgende Ziele für die Forschungs- und Entwicklungsarbeit:

  • Entwicklung und Bewertung geeigneter Entwurfsmethoden und -werkzeuge zur Vorhersage des Kühlbedarfs, der Lüftungskühlleistung und des Risikos einer Überhitzung in Gebäuden.
  • Entwicklung von Richtlinien für eine energieeffiziente Reduzierung des Überhitzungsrisikos durch Lüftungskühlungslösungen sowie für die Planung und den Betrieb der Lüftungskühlung in Wohn- und Geschäftsgebäuden .
  • Entwicklung von Richtlinien für die Integration der ventilativen Kühlung in Methoden und Vorschriften zur Berechnung der Energieeffizienz, einschließlich der Spezifikation und Überprüfung der wichtigsten Leistungsindikatoren.
  • Entwicklung von Anweisungen zur Verbesserung der Ventilationskühlkapazität bestehender Systeme und zur Entwicklung neuer Ventilationskühlungslösungen einschließlich ihrer Steuerungsstrategien.
  • Demonstration der Leistung ventilativer Kühllösungen durch Analyse und Auswertung gut dokumentierter Fallstudien.

Die Forschungsarbeiten in Anhang 62 waren in drei Teilaufgaben unterteilt.

  • Unteraufgabe A „Methoden und Werkzeuge“ analysiert, entwickelt und bewertet geeignete Entwurfsmethoden und Werkzeuge zur Vorhersage des Kühlbedarfs, der Leistung der Lüftungskühlung und des Risikos einer Überhitzung in Gebäuden. Die Teilaufgabe enthielt auch Richtlinien für die Integration der ventilativen Kühlung in Methoden und Vorschriften zur Berechnung der Energieeffizienz, einschließlich der Spezifikation und Überprüfung der wichtigsten Leistungsindikatoren.
  • Unteraufgabe B „Lösungen“ untersuchte die Kühlleistung bestehender mechanischer, natürlicher und hybrider Lüftungssysteme und -technologien sowie typischer Komfortsteuerungslösungen als Ausgangspunkt für die Erweiterung der Grenzen für ihre Verwendung. Basierend auf diesen Untersuchungen entwickelte die Teilaufgabe auch Empfehlungen für neue Arten flexibler und zuverlässiger Lüftungskühlungslösungen, die Komfort unter einer Vielzahl von klimatischen Bedingungen schaffen.
  • Teilaufgabe C „Fallstudien“ demonstrierten die Leistung der ventilativen Kühlung durch Analyse und Auswertung gut dokumentierter Fallstudien.

Siehe auch

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