Energieeffizienz von lichtdurchlässigen Gebäudehüllen

Es gibt nur wenige utilitaristische Funktionen von lichtdurchlässigen Fassadenelementen. Die wichtigsten sind der Einfall von natürlichem Licht und Mitwirkung an der Thermoregulierung. Heute soll der zweite Punkt erörtert werden.

Ohne in die Details zu gehen, lassen Sie uns versuchen, durch einfache Arithmetik und ein wenig physikalische Berechnungen herauszufinden, warum die Vorhänge nicht helfen.

Zunächst muss darauf hingewiesen werden, dass wir uns in diesem Bericht in den meisten Fällen auf systematische Informationsquellen stützen werden, und zwar hauptsächlich auf das Buch des Apologeten der wärmetechnischen Erforschung von Gebäudestrukturen K.F. Fokin " Thermische Planung von Gebäudehüllen".

Doch zunächst wollen wir versuchen, uns nicht in zwei Begriffspaaren zu verlieren, die die thermischen Eigenschaften von Strukturen und Materialien für lichtdurchlässige Fassadenkonstruktionen definieren.

Der erste Begriff ist der Wärmeübergangswiderstand. Für viele Kunden, die sich für die Art und die Eigenschaften von lichtdurchlässigen Fassadenkonstruktionen für ihre Projekte entscheiden, stellen sich in diesem Zusammenhang viele Fragen. Sollte diese Zahl kleiner oder größer sein? Wenn sie gering ist, wie kann sie in diesem Fall erhöht werden? Und was bringt dieser Anstieg in wirtschaftlicher und ergonomischer Hinsicht?

Bevor man über die Begriffsdefinitionen redet, wäre es wichtig zu verstehen, was man mit einer guten lichtdurchlässigen Gebäudehülle erreichen möchte. Wahrscheinlich werden die meisten sagen, dass Design ästhetisch, ergonomisch und wirtschaftlich sein sollte.

Die ersten beiden Anforderungen fallen in die Zuständigkeit von Architekten und Designern, während die dritte Anforderung von Ingenieuren und Baufirmen übernommen wird. Für einen Moment können wir die lichtdurchlässigen Gebäudehüllen beiseitelassen und ein Beispiel für einen anderen Wirtschaftsindikator anführen.

Wie hoch ist der Kraftstoffverbrauch Ihres Autos pro 100 km? Die meisten werden ziemlich genau angeben und sich sogar damit brüsten, dass ihr Auto einen sehr moderaten Verbrauch hat, und das wirkt sich wirklich auf die Betriebskosten des Autos aus. Das Auto ist wirtschaftlich, weil es wenig Kraftstoff verbraucht. Es ist jedem klar, dass der Kraftstoffverbrauch für einen bestimmten Straßenabschnitt in Geld umgerechnet werden kann. Ebenso ist es wichtig zu verstehen, wie viel Geld man durch die verschiedenen Arten von lichtdurchlässigen Fassadenkonstruktionen verliert und was letztendlich eine Verdoppelung oder Verdreifachung des Wertes des Begriffs Wärmedurchlasswiderstand ergibt. 

In Europa wird, im Unterschied zur Ukraine, ein direkt proportionaler Indikator verwendet - der Wärmedurchgangskoeffizient. "U-Wert" (W/⁰C)*m2), gemessen an der Wärmemenge, die pro Zeiteinheit durch 1 m2 Umzäunung geleitet wird, wenn der Temperaturunterschied zwischen der Luft auf der einen und der anderen Seite 1 °C beträgt.

Wenn man genauer nachprüft, stellt man fest, dass dieser Indikator dem Kraftstoffverbrauch eines Autos sehr ähnlich ist. Damit ist alles klar. Man kennt die Kosten für Wärme (man zahlt entweder für Kilowatt oder Gigakalorien, genau wie für Benzin). Daher kann man bei Bedarf leicht berechnen, wie viel Geld für das Heizen und Kühlen eines Raumes ausgegeben wird.

Leider ist nicht bekannt, wer den eindeutigen Indikator des Wärmedurchgangskoeffizienten in den Wärmeübertragungswiderstand umgewandelt und ihn "R" genannt hat. Und er tat dies auf eine einfache, aber für den Verbraucher nicht ganz verständliche Weise: Er nahm den Kehrwert des Wärmedurchgangskoeffizienten, d. h. R = 1/U. Die Maßeinheit für R ist also m2*⁰C/W. Scheint nichts Kompliziertes zu sein? Wenn man sich ein Algebra-Lehrbuch der 9. Klasse zur Hand nimmt, kann man den Graphen der Funktion R=1/U, nämlich die Hyperbel, deutlich erkennen. Es ist klar, dass die Abhängigkeit von U und R nichtlinear ist, wobei die Werte von U gegen Null und R gegen Unendlich tendieren. Wo liegt also die Grenze, bis zu der es sinnvoll ist, für eine Erhöhung des Wärmeübergangswiderstands zu kämpfen?

Betrachtet man das Diagramm der Abhängigkeit des spezifischen Wärmestroms Q (W/m2) pro Stunde durch lichtdurchlässige Fassadenkonstruktionen vom Wert des Wärmeübertragungswiderstands (m2*⁰C/W). Es zeigt sich, dass bei einer Erhöhung des Wärmeübertragungswiderstands von 0,25 auf 0,5 ein starker Rückgang der Wärmeverluste durch die Gebäudehülle zu verzeichnen ist.

Bei einer weiteren Erhöhung des R-Wertes s ist der wirtschaftliche Effekt der Reduzierung der direkten Wärmeverluste nicht mehr so ausgeprägt. Bei einem Wärmeübertragungswiderstand von mehr als 2 m2*⁰C(K)/W ist die Höhe der Investitionen in die Gebäudehülle, um einen solchen Wert zu erreichen (und das ist bereits eine 3-Kammer-Isolierverglasung), nicht in der Lage, die wirtschaftliche Rentabilität zu gewährleisten. Die Amortisationszeit solcher Investitionen durch die Einsparung von Wärmeverlusten durch transparente Gebäudehüllen wird sich in Jahrzehnten messen lassen. Es stellt sich die Frage, warum der R-Wert bei anderen Gebäudekonstruktionen nicht weniger als 3 oder sogar 5 m2*⁰C/W beträgt. Die Antwort ist einfach. Derartige Werte für den Wärmeübertragungswiderstand von undurchsichtigen Elementen (Wände und Decken) lassen sich mit relativ einfachen und kostengünstigen Methoden erzielen, und diese Strukturen nehmen eine viel größere Fläche ein als lichtdurchlässige Konstruktionen.

Um den Einfluss des Wärmeübergangswiderstandes auf den tatsächlichen Stand der Dinge bei der Wärmetechnik von lichtdurchlässigen Gebäudehüllen zu verstehen, werden wir einige Bezugspunkte setzen.

Normales Glas (einfaches Fenster ohne Isolierverglasung): R=0,17 m2*⁰C/W. Die Verluste betragen etwa 200 W/m2 pro Stunde durch lichtdurchlässige Konstruktionen bei einem Temperaturunterschied von 43 Grad zwischen der Straße und dem Raum. Einfache Einkammer-Doppelverglasung R = 0,37 m2*⁰С/W. Die Verluste betragen etwa 120 W/m2. Das heißt, wir haben den Wert des Wärmeübergangswiderstands um mehr als das 2-fache verbessert und 80 W/m2 pro Stunde eingespart.

Erhöht man den Wärmedurchgangswiderstand auf R=0,75 m2*⁰C/W (das Maximum, das heute aus einer Einkammer-Doppelverglasung "herausgequetscht" werden kann), betragen die Verluste etwa 60 W/m2 pro Stunde. Das heißt, wir haben den Wärmeübergangswiderstand um das Zweifache erhöht, und die Verluste sind nur um 25 % gesunken.

Bei einer weiteren Erhöhung des Wärmeübergangswiderstands um das Zweifache auf R = 1,5 m2 * ⁰C / W (hochwertige Doppelverglasung, die die Baukosten erhöht) erreichen die Verluste etwa 38 W / m2, d. h. die Einsparung bei verdoppeltem Wert des Wärmeübergangswiderstands beträgt nur 22 W / m2 pro Stunde. Zum Vergleichen mit den ersten Einsparungen - 80 W/m2... 60 W/m2... und nur 22 W/m2. 

Die Ergebnisse der Berechnungen von Einsparungen durch hohe Werte des Wärmedurchlasswiderstandes bei lichtdurchlässigen Gebäudehüllen sind sehr enttäuschend. Und bei welchem Wert des Wärmeübergangswiderstandes wird man vor einem so unangenehmen Phänomen wie Kondensatbildung (Beschlagen) auf dem Glas geschützt sein? Bei der maximalen Luftfeuchtigkeit bis zu 60% (Bäder und Saunen sind nicht berücksichtigt) für die Vermeidung von Kondensation im Falle der Temperaturdifferenz zwischen der Straße und dem Raum von 43 Grad (wie von den Normen erforderlich), dh Frost außerhalb des Fensters -20, und wir haben 23 Grad im Zimmer, sollte der Wärmeübergangswiderstand nicht niedriger als 0,66 m2 * ⁰C / W.

Um diesen Wert zu ermitteln, kann folgende Formel zur Berechnung des Wärmeübergangswiderstands R=1/U verwendet werden.

αint = 8 – Wärmedurchgangskoeffizient der inneren Oberfläche der Hüllkonstruktionen, W/(m2°C), angenommen nach DBN V-2.6-31-2006 Anhang E.

Zur Vermeidung von Beschlag oder Kondensation bei ausreichend kritischen Temperaturdifferenzen ist daher eine Ein- oder Zweikammer-Isolierverglasung mit einem Wärmedurchgangswiderstandswert von höchstens 0,7 m2*⁰C/W ausreichend. Und die direkten Verluste durch eine solche lichtdurchlässige Fassadenkonstruktion werden etwa 70 W/m2 betragen. Wenn man die Fläche der Fassadenkonstruktion kennt, ist es einfach, die Höhe der Kosten für den Ausgleich der Verluste während der kritischsten Perioden der Temperaturschwankungen zu berechnen.

Es ist anzumerken, dass die europäischen Normen den Temperaturunterschied zwischen Außen und Innen nur mit 15° С berücksichtigen (in den ukrainischen Normen sind es 43° С!) Daher ist die Verwendung der in den europäischen Zertifikaten angegebenen Werte für den Wärmedurchgangskoeffizienten zur vergleichenden Bewertung der thermischen Eigenschaften von lichtdurchlässigen Fassadenkonstruktionen, die in der Ukraine hergestellt werden, falsch.

Einerseits sollen raumabschließende Fassadenkonstruktionen vor Kälte schützen. Man sollte jedoch einen anderen Aspekt nicht vergessen - die Sonne. Dennoch ist zu beachten, dass unser Klima kontinental geprägt ist und im Sommer recht hohe Temperaturen herrschen, die nicht so kritisch sind wie der Frost (es gibt viel weniger Verbrennungen als Erfrierungen), aber um den Komfort des Aufenthalts in Innenräumen zu gewährleisten, verwenden wir Klimaanlagen und zu deren Unterstützung spezielle reflektierende Gläser, die die Menge an Sonnenwärmeenergie, die durch lichtdurchlässige Fassadenkonstruktionen in unsere Räumlichkeiten eindringt, erheblich reduzieren. 

Fragt man einen Spezialisten auf dem Gebiet der Klimatechnik, so erfährt man, dass die Kosten für die Kühlung um 1 Grad doppelt so hoch sind wie die Kosten für die Heizung desselben Raumes um 1 Grad.

Mathematik des Sommers

Lassen Sie uns versuchen, mit dieser Frage zu beschäftigen.

Wie auf der Karte der Sonneneinstrahlung in der Ukraine zu sehen ist, befindet sich die Ukraine in der Zone, in der sie etwa 100 Kilokalorien pro 1 qcm pro Jahr erhält, vorausgesetzt, die Strahlen fallen in einem Winkel von 80-90 Grad auf die Erdoberfläche. Rechnet man die Fläche von 1 m² in Quadratzentimeter um, so erhält man den Wert von 10.000 cm². Die gesamte Sonneneinstrahlung, die pro Jahr und 1 Quadratmeter empfangen wird, ist gleich 10 000 000 Kalorien oder 10 000 Megakalorien, was umgerechnet (1mKal = 1,16 kW) 8600 kW ergibt.

Im Sommer ist die Sonneneinstrahlung um 25 % höher als im Winter. Das heißt, man kann davon ausgehen, dass im Sommer die Sonneneinstrahlung pro 1 Quadratmeter 3,75 kW beträgt. In Anbetracht der Tatsache, dass die maximale Sonnenaktivität im Sommer zwischen 10 und 16 Stunden beträgt, liegt die spezifische Sonneneinstrahlung im Bereich von 600-800 W/h (min-max) pro 1 m². Als Reduktionsfaktor für die standardmäßigen thermischen Eigenschaften der Isolierverglasung ohne Sonnenschutz wird 1,15 (15%) und der Koeffizient der indirekten Sonneneinstrahlung 1,3 angenommen. Die Gesamtreduzierung der thermischen Energie wird das 1,5-fache betragen.

Folglich liegt die maximale Sonneneinstrahlung, die am heißesten Sonnentag durch 1 m² Isolierverglasung dringt, nicht unter 500-550 W/Stunde, aber um dies zu kompensieren, wird mindestens doppelt so viel Energie für die Klimatisierung benötigt.

Mit Hilfe moderner energieeffizienter Gläser ist es möglich, die durch die lichtdurchlässige Fassadenkonstruktion eindringende Sonnenstrahlung um das 4-fache zu reduzieren (Solarfaktor SF = 0,25), was letztlich dazu führt, dass durch die Fassadenkonstruktion nur noch 130-140 W/m2 statt 500 W/Stunde in den Raum eindringen.

Wenn lichtdurchlässige direkte Durchdringung von Sonnenenergie auseinandergesetzt sind, empfiehlt es sich, in die Isolierverglasung ein Außenglas mit guten Reflexionseigenschaften, besser noch ein Multifunktionsglas, einzubauen, das im Sommer die Sonnenwärme eliminiert und in der kalten Jahreszeit die Wärmeleistung des Isolierglases deutlich verbessert.