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Optimal design of multi-functional ventilated facades

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Energie sparende Konstruktion von Gebäuden

Ein bedeutender Anteil des gesamten nationalen Energieverbrauchs in den europäischen Ländern entfällt auf den Energieverbrauch von Gebäuden. Da dieser Energieverbrauch von Gebäuden zu einem großen Teil auf die Beheizung und Klimatisierung von Räumen zurückzuführen ist, wird es allmählich unverzichtbar, die unvermeidlichen thermischen Gewinne und Verluste eines Gebäudes exakt zu ermitteln. Um dieser Herausforderung zu begegnen, wurde der spezielle Softwarecode AGLA entwickelt.

Energie

Gebäude geben im Winter ständig Wärme ab, während sie im Sommer Wärme absorbieren, obwohl man naturgemäß bestrebt ist, während der kälteren Jahreszeit Wärme zu sparen und das Gebäude in den wärmeren Monaten kühl zu halten. Hier wirkt sich eine Gebäudefassade stets "kontraproduktiv" aus, da sie trotz Beheizung oder Klimatisierung bauartbedingt thermische Gewinne und Verluste bewirkt. Daher kommt die eingesetzte Energie nicht in vollem Umfang der Raumheizung und klimatisierung zugute, da in den Gesamtenergieverbrauch auch die Wärmeabsorption und die Wärmeverluste des Gebäudes eingehen. Zur Wirkungsgradmaximierung beim Energieverbrauch bei gleichzeitiger Minimierung von unerwünscht freigesetzter Energie ist es daher unbedingt erforderlich, das thermische Verhalten eines Gebäudes vor dem Bau zu berechnen und auf Grund der Ergebnisse die Baumaterialien so auszuwählen, dass bauartbedingte thermische Verluste und Gewinne möglichst gering gehalten werden. Ein Konsortium von Forschern und Industrieexperten aus Spanien, Deutschland, der Schweiz und Finnland entwickelte zu diesem Zweck einen einzigartigen Softwarecode, der genau diese Berechnung ausführt und auf diese Weise die Kosteneffektivität beim Energieverbrauch maximiert. Dieser Softwarecode namens AGLA liefert eine quantitative Prognose zum thermischen Verhalten verschiedener Alternativen für die Gebäudefassade. AGLA ist ein Simulations-Tool, das solche Prognosen in wenigen Minuten erstellt. AGLA führt Analysen von Gebäudefassaden wahlweise im Detail oder in Form einer Übersicht durch und berechnet dabei Werte für ein ganzes Jahr. Überdies liefert dieser Softwarecode wichtige Informationen z.B. über die monatlichen und jährlichen Wärmeströme sowie die niedrigsten und höchsten Innenraumtemperaturen. Die Eingangsdaten bestehen aus meteorologischen, Innenraum- und Geometrieinformationen sowie aus Angaben über die thermophysikalischen und optischen Eigenschaften der einzelnen im Gebäude verarbeiteten Baumaterialien. Natürlich lassen sich aus diesen Daten auch detailliertere Berechnungen ableiten. Besonders zu betonen ist, dass AGLA in der Lage ist, auch das Verhalten belüftete Fassaden unter Einsatz neuer Technologien zu analysieren. Die AGLA-Software bietet außerdem zahlreiche Vorteile gegenüber herkömmlichen Verfahren zur Vorhersage des thermischen Verhaltens. So eignen sich bestehende Softwarecodes, die den Wärmeübergang analysieren, beispielsweise nicht zur Beurteilung von belüfteten Fassaden, Materialien zur Wärmedämmung oder Photovoltaik-Sonnenkollektoren als Variable. Werden die Ausgangsinformationen aus Untersuchungen an Prototypen gewonnen, so sind sie nicht gesichert, ganz zu schweigen davon, dass der Bau der Prototypen selbst viel Geld und Zeit kostet, wenn auf diese Weise Informationen für eine Analyse gesammelt werden sollen. Dagegen ist AGLA eine kosteneffektive und umfassende Lösung, die in kürzester Zeit aussagefähige Ergebnisse liefert. Alle diese Eigenschaften machen AGLA zu einem perfekten Hilfsmittel für den möglichen Anwenderkreis, zu dem beispielsweise Maschinenbau- und Energietechnik-Ingenieure, Architekten und Bauunternehmen zählen. Das Konsortium untersuchte auch andere Gebäudebereiche, in denen Energie verbraucht wird, um so den Verbrauch an nicht erneuerbarer Energie zu senken und damit einen Beitrag zum Umweltschutz zu leisten. Diese Untersuchungen führten zu einer multifunktionalen, belüfteten Vorhangwand (einer nicht tragenden vorgehängten Fassade), für deren Entwicklung der AGLA-Softwarecode zur Anwendung kam. Diese verbesserte Vorhangwand optimiert den Energiehaushalt von Gebäudefassaden, da diese Innovation besonders geringe thermische Verluste aufweist. Die multifunktionale Vorhangwand ist vielseitig verwendbar. So vereinfacht sie nicht nur die Anwendung neuer Bautechnologien, sondern gestattet auch den Einbau von Panels mit transparenten Isolationsmaterialien, Latentwärme-Speichermaterialien (Phase Change Materials, PCMs) sowie motorbetriebenen Lüftungsklappen, Vorhängen und Jalousien. Eine Erweiterung dieser speziellen Innovation ist ein weiteres Schlüsselelement der Forschungsarbeit dieses Konsortiums: Die Forscher konstruierten eine belüftete, transparente Isolationsfassade, die als Solarwand-Heizelement wirkt. Diese belüftete, transparente Isolation kann von der Betriebsart "Heizen", in der sie in den Wintermonaten arbeitet, auf eine Betriebsart "Kühlen" während der Sommermonate umgeschaltet werden. Diese besondere Eigenschaft bewirkt eine Senkung der thermischen Verluste im Winter bei nur minimaler Überhitzung im Sommer. Diese Innovationen werden nicht nur den Fortschritt in den Energietechnologien unterstützen, sondern auch zu einer Maximierung der Kosteneffektivität und zum Schutz der Umwelt beitragen.

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