Thermischer Komfort von Deckenstrahlungs-heizungen im Rahmen von Sanierungen - Ergebnisse aus Experimenten und Simulationen - LowEx-Bestand
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Thermischer Komfort von Deckenstrahlungs-
heizungen im Rahmen von Sanierungen –
Ergebnisse aus Experimenten und Simulationen
Andreas Wagner, Reza Safi
Fachgebiet Bauphysik & Technischer Ausbau, Karlsruher Institut für Technologie
wagner@kit.edu
KIT – Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft www.kit.edu
Motivation
Wichtige Voraussetzung für hohe Arbeitszahl von Wärmepumpen: möglichst niedrige Temperaturen des Heizmediums
Andererseits zu beachten: Zusammenhang zwischen
erforderlicher Heizleistung – Art und Größe der wärmeabgebenden Heizflächen – Temperaturen des Heizsystems –
thermischem Komfort
energetische Qualität der Gebäudehülle wichtige Einflussgröße für Auswahl von Heizkörpern/-flächen
weiterer wichtiger Aspekt im Zusammenhang mit Gebäudesanierung: Aufwand für Ein-/Umbau bei Sanierung
Grundsätzlich Flächenheizungen prädestiniert für WP-Heizsysteme:
- niedrige Systemtemperaturen
- sehr behaglich wegen hohem Strahlungsanteil
Fragestellung: Können Deckenstrahlungsheizungen im Rahmen von Sanierungen eingesetzt werden?
- geringerer Einbauaufwand im Vergleich zu Fußbodenheizung
- aber thermischer Komfort?
23.04.2021 Berliner Energietage, Thermischer Komfort von Deckenstrahlungsheizungen, Prof. Andreas Wagner 2
Aufgabe / Ziel
Experimentelle Untersuchungen und numerische Simulationen zum thermischen Komfort von Deckenstrahlungsheizungen
Drei wesentliche Forschungsfragen:
• Bewertung des thermischen Komforts bei warmer Decke in Räumen geringerer Höhe (Wohngebäude)
• Untersuchung der Wechselwirkung zwischen warmer Decke und kühler Oberfläche einer Außenwand/eines Fensters
und der sich daraus ergebenden Strahlungstemperaturasymmetrie bei verschiedenen Positionen einer Person
• Bewertung der Einsatzmöglichkeiten einer Deckenstrahlungsheizung im Rahmen von Gebäudesanierungen mit
unterschiedlichem Wärmedämmstandard der Gebäudehülle nach globalen und lokalen Komfortkriterien
23.04.2021 Berliner Energietage, Thermischer Komfort von Deckenstrahlungsheizungen, Prof. Andreas Wagner 3
Experimentelle Rahmenbedingungen Untersuchungen im Raumklima-Teststand LOBSTER an 30 (jungen) Probanden im Winter 2016 und 2017 (within-subjects-experiment) 23.04.2021 Berliner Energietage, Thermischer Komfort von Deckenstrahlungsheizungen, Prof. Andreas Wagner 4
Experimentelles Versuchsdesign
CT: Deckentemperatur
23.04.2021 5
Experimentelle Ergebnisse: Thermisches Empfinden (lokal und global) 23.04.2021 6
Experimentelle Ergebnisse: Thermischer Komfort (global)
CT: Deckentemperatur
23.04.2021 Berliner Energietage, Thermischer Komfort von Deckenstrahlungsheizungen, Prof. Andreas Wagner 7
Numerische Simulationen
Kopplung eines CFD-Modells mit einem
thermophysiologischen Komfortmodell
Thermophysiologisches
Komfortmodell des Center
of the Built Environment,
UC Berkeley
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Betrachtete Varianten und Randbedingungen
Untersuchung von 40 verschiedenen Szenarien
Gewählte Außentemperatur: 3°C
Energetische Qualität U value (Wm-2k-1)
der Bauteile: Without Ambitious
renovation renovation
(original (EnEV 2016)
building)
Roof 0.6 0.2
Ceiling 0.8 0.32
Floor 1.0 0.32
External wall 1.4 0.25
Temperaturen der übrigen Oberflächen resultierend Window 2.83 1.26
aus Wärmeaustausch mit Decke
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Simulationsergebnisse: Thermisches Empfinden (lokal und global)
CT: Deckentemperatur
23.04.2021 10Simulationsergebnisse: Lokale Wärmeempfindungsasymmetrie
(Eckraum)
CT: Deckentemperatur
23.04.2021 11Simulationsergebnisse: Raumoberflächentemperaturen (Eckraum)
CT: Deckentemperatur
23.04.2021 12Fazit
• Eine Deckenstrahlungsheizung führt gemäß Experimenten und Simulationen nicht zu einer Temperaturschichtung
im Raum (Strahlungsaustausch zwischen warmer Decke und übrigen Oberflächen sowie Konvektion).
• Der Einfluss der Oberflächentemperatur einer Fassade auf das lokale Wärmeempfinden von Menschen in der Nähe
der Fassade nimmt mit zunehmender Deckentemperatur ab.
• Für die simulierten Szenarien beträgt die minimal, d.h. bei einer wärmetechnisch schlechteren Außenfassade
(UWand = 1,4 W/m²K, UFenster = 2,8 W/m²K), erforderliche Deckentemperatur für ein noch angenehmes globales
(auf den ganzen Körper bezogenes) Wärmeempfinden 25 (28) °C, ebenso für den globalen Komfort.
• Gemäß Experimenten und Simulationen erreicht der Kopf die höchste lokale Komfortbewertung, Hände und Füßen
die niedrigste. Das asymmetrische Wärmeempfinden in Räumen mit Deckenstrahlungsheizung ist vernachlässigbar
– insbesondere bei ausreichend hoher wärmetechnischer Qualität der Gebäudehülle.
Der Einsatz einer Deckenstrahlungsheizung führt schon bei relativ niedrigen Deckentemperaturen
(≥ 25°C) zu einem thermisch (noch) komfortablen Raumklima, selbst bei mäßiger thermischer
Qualität der Gebäudehülle. Somit kann eine Deckenstrahlungsheizung aus bauphysikalischer Sicht
als eine vielversprechende Option bei der energetischen (Gesamt-) Sanierung eines Gebäudes
betrachtet werden.
FKZ: 03SBE0001A
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