Deckenventilatoren und dynamische thermische Simulation: Welche Stärken und Grenzen gibt es?

Die dynamische thermische Simulation (DTS) hat sich in den letzten Jahren einen Namen gemacht. Diese Methode wird von zahlreichen Umweltzeichen wie Nachhaltigen Gebäuden, HQE oder BREEAM bevorzugt und ermöglicht es, den tatsächlichen Energieverbrauch so genau wie möglich zu ermitteln und die Gebäudehülle und -systeme so zu gestalten, dass der Sommerkomfort verbessert wird.

Dennoch bleibt die STD ein Modell. Sie ist keine Garantie für einen einwandfreien thermischen Komfort in der Realität.

Zu den verfügbaren Tools gehören TRNSYS und IESVE, aber das STD COMFIE-Modul von Pleiades wird als das in Frankreich von den Planungsbüros am häufigsten verwendete Tool anerkannt.

In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf die STD-Software von Izuba Energies, um zu zeigen, wie man das Beste aus ihr herausholen kann, insbesondere in Bezug auf Luftumwälzungen und Sommerkomfort.

Die Bilder stammen aus dem Update vom Oktober 2023. Ältere Versionen der Software sehen daher anders aus.

Wir empfehlen dringend, vor dem Lesen des folgenden Textes zunächst unsere Publikation zu lesen: “Sommerlicher Wärmekomfort und Deckenventilatoren: Kann man unser Empfinden quantifizieren?”.

Dieser Artikel ist nicht als alternatives Tutorial zur Dokumentation des Softwareherstellers Pleiades gedacht, sondern soll vielmehr spezifische Informationen über Luftumwälzer in einem STD-Kontext liefern.

Schließlich sehen wir eine zunehmende Verwendung von CFD-Modellen (Computational Fluid Dynamics), die eine sehr genaue Simulation von Luftgeschwindigkeiten ermöglichen. Diese Technik, die sich von der STD unterscheidet, ist derzeit noch recht kostspielig. Da sie nur für eine Minderheit von Projekten geeignet ist, wird sie in der folgenden Veröffentlichung nicht behandelt.

Komfortparameter: Welche Eingabedaten?

Überblicksdaten

Das folgende Schaubild fasst die Eingabedaten für die Komfortanalyse zusammen, die wir blockweise betrachten werden.

Stimmungskategorie

Pleiades stützt sich auf die Normen EN 15251 (Kriterien für das Raumklima) und EN 7730 (Ergonomie der thermischen Umgebung)[i]. Das Tool fordert Sie zunächst auf, eine Kategorie für das Raumklima auszuwählen.

Die Wahl der Raumkategorie bestimmt die Höhe der maximalen PPD und PMV. Diese Konzepte zur Beurteilung der thermischen Behaglichkeit werden in dem in der Einleitung empfohlenen Artikel beschrieben.

Die Stufe I der Kategorie Ambiente ist die anspruchsvollste: Hier wird der Prozentsatz der Unzufriedenen auf 6% festgelegt. Danach steigt er in Stufe II auf 10% und in Stufe III auf 15%.

Stufe II wird allgemein empfohlen.

Komfortgrenztemperaturen

Anschließend können Sie eine minimale und eine maximale Komforttemperatur eingeben, die für die Zone verwendet werden. 28°C ist ein üblicherweise gewählter hoher Wert. Es ist möglich, niedriges Unbehagen zu ignorieren, indem Sie das Kontrollkästchen “Nur warmes Unbehagen” aktivieren.

Beachten Sie, dass die Komfortgrenzen nach der Simulation in den Übersichtstabellen der Komfortergebnisse neu festgelegt werden können.

Berechnungsweise des Indikators Gradstunden (DH)

Der Indikator Gradstunden, der aus der RE 2020-Regelung stammt, ist auch in der STD verfügbar. Dieser Indikator, der auf die gleiche Weise wie in den Vorschriften berechnet wird, bewertet die Abweichungen zwischen der Gebäudetemperatur und einer Komforttemperatur (Temperatur, die aufgrund der Temperaturen der vorangegangenen Tage angepasst wurde und zwischen 26 und 28°C variiert).

Sein Wert stellt die Summe aller gewichteten Unbequemlichkeiten über das Jahr dar.

Die Berechnungsmethode unterscheidet sich zwischen Dienstleistungs- und Wohngebäuden. Bei letzteren wird der adaptive Komfort in der Nacht nicht berücksichtigt, die Grenztemperatur bleibt bei 26°C.

Mit dem Indikator Grad-Stunden können Deckenventilatoren aufgewertet werden. Wenn eine Umwälzung stattfindet, wird die obere Komfortgrenze automatisch angepasst, um den Deckenventilator zu berücksichtigen. Lassen Sie daher die Temperatur Tmax unverändert.

Die Luftgeschwindigkeit wird aus der “Luftgeschwindigkeit Sommer” übernommen, die auf Zonenebene eingegeben wurde. Sie kann direkt in der Tabelle in Abbildung 12 unten geändert werden, um die Indikatoren neu zu berechnen.

Luftgeschwindigkeit “Sommer”

Diese Luftgeschwindigkeit wird für die Bewertung der Indikatoren Gradstunden, akzeptable Innentemperatur in nicht klimatisierten Bereichen (EN 15251) in der Sommerperiode verwendet. Das Tool bietet nur eine Eingabe in Schritten von 0,5 m/s.

Die Luftgeschwindigkeit variiert je nach Art des verwendeten Luftumwälzers/Deckenventilators (mit Schaufeln oder ohne Schaufeln) und je nachdem, wo sich der Bewohner in einem bestimmten Raum befindet.

An dieser Stelle zeigen Luftgeschwindigkeitsvisualisierungen ihre Relevanz.

Um die obigen Darstellungen richtig zu nutzen, sind hier die ungefähren Höhen der verschiedenen Teile des menschlichen Körpers in sitzender Position aufgeführt:

Es ist auch zu beachten, dass die Luftgeschwindigkeit durch die Anwesenheit von Mobiliar verringert wird. So haben wir im Rahmen einer Messkampagne an einem Schulstandort eine Verringerung der durchschnittlichen Luftgeschwindigkeit um 25% in Anwesenheit von Schulmöbeln beobachtet, was eine ungefähre Vorstellung vermittelt.

Da die Nähe zum Luftumwälzer, das Vorhandensein von Möbeln und die Position der Nutzer variable Daten sind, ist die Luftgeschwindigkeit nicht im gesamten Bereich gleichmäßig.

Es geht also darum, eine Geschwindigkeitsannäherung zu nehmen, die für die meisten Insassen gilt.

Es handelt sich um eine Luftgeschwindigkeit bei maximaler Durchflussrate, die in der Rubrik “Luftgeschwindigkeit über 25°C” eingegeben werden muss. Unsere Rückmeldungen zeigen jedoch, dass eine Geschwindigkeit von mehr als 1 m/s außerhalb von Labors sehr optimistisch erscheint.

Wie das BRASSE-Programm[ii], gezeigt hat, führt die Luftgeschwindigkeit bereits bei 0,2 m/s zu einem Kühleffekt von 1,5 °C. Die Luftgeschwindigkeit ist also ein wichtiger Faktor, um die Lufttemperatur zu senken.

Ein gutes Layout[iii], das eine ausreichende Dichte an Deckenventilatoren vorsieht und allen Bewohnern die Möglichkeit gibt, die eingegebene Luftgeschwindigkeit zu erreichen, ist unerlässlich.

Hier sind unsere Messungen der durchschnittlichen Luftgeschwindigkeit an fünf Punkten in drei verschiedenen Höhen (Kopf, Oberkörper, Taille) in einem geschlossenen Raum ohne Möbel.

Stoffwechsel und Luftgeschwindigkeit

Der Stoffwechsel (MET) entspricht der Aktivität der Bewohner: Die Palette der Auswahlmöglichkeiten erscheint in Abbildung 9, wobei jede Stufe der Stoffwechselaktivität einem Wert entspricht. Für eine Bürotätigkeit würde man “sitzende Ruhe” wählen, MET=1. Für einen Lehrer könnte man “leichte Aktivität im Stehen” wählen, MET =1,6. Der Anstieg des MET-Wertes spiegelt den Energieverbrauch des Körpers wider, der daher eine Abkühlung benötigt.

Das ist zum Beispiel der Grund für einen speziell für Lehrer gedachten Deckenventilator, der senkrecht über dem Lehrerarbeitsplatz angebracht wird.

Die Luftgeschwindigkeit wird ebenfalls in dieser Rubrik Allgemeines eingegeben. Dabei handelt es sich um eine jährliche Basisangabe und nicht um die Luftgeschwindigkeit im Sommer, weshalb wir einen Wert zwischen 0 und 0,1 empfehlen.

In der Heizperiode wird die vorteilhafte Seite von Deckenventilatoren in Bezug auf die Destratifikation und Energieeinsparung von Pleiades nicht berücksichtigt. Aus diesem Grund behandeln wir die Wintersaison nicht und konzentrieren uns auf die Sommersaison.

Kleidung für die Berechnung der PPD/PMV-Indikatoren

Der für die Bekleidung anzunehmende Wert sollte sich an den in den betreffenden Räumlichkeiten üblichen Praktiken orientieren. Es versteht sich von selbst, dass je leichter man gekleidet ist, desto leichter ist es, hohen Temperaturen ohne Klimaanlage standzuhalten.

Es ist möglich, die Dinge noch weiter zu verfeinern, indem man mit der Modulation der Kleidung für denselben Bereich spielt, d. h. die Bewohner können innerhalb einer Jahreszeit Kleidungsschichten hinzufügen oder entfernen.

Diagramme zur thermischen Behaglichkeit

Nach Abschluss dieser Einstellungen müssen Sie die Berechnungen starten und dann im Dropdown-Menü in der Kopfzeile der Ergebnisübersicht “Komfort” auswählen.

Diese Übersicht bietet Zugang zu allen Komfortindikatoren.

Unbequeme Stunden

In der obigen Tabelle können Sie insbesondere, Zone für Zone, die Stunden mit Unbehaglichkeit und den Prozentsatz der Zeit mit Unbehaglichkeit unterhalb der unteren Grenze und oberhalb der oberen Grenze beobachten. Diese Grenzen können direkt in der Tabelle geändert werden, um die Indikatoren neu zu berechnen.

Givoni-Diagramm

Diese Grafik zeigt die Zonen des thermischen Komforts im Sommer unter Berücksichtigung der Temperatur, der Luftgeschwindigkeit und der Luftfeuchtigkeit.

Aufgrund seiner Klarheit und Didaktik ist dieses Diagramm vor allem bei Bauherren sehr beliebt.

Es berücksichtigt jedoch nicht die individuelle Reaktion jedes Einzelnen auf eine bestimmte Temperatur und Luftfeuchtigkeit. Außerdem bezieht er die allmähliche Anpassung des menschlichen Körpers an die Temperatur nicht mit ein, die Dynamik der Anpassung wird nicht berücksichtigt.

Adaptiver Komfort

Unten sehen Sie die Grenzen der Zonen, die unter Berücksichtigung der Umgebungskategorie (hier Kategorie II) definiert wurden. Punkte, die außerhalb dieser Grenzen liegen, entsprechen unangenehmen Stunden. Hier liegen alle Punkte unterhalb der oberen Grenze.

Unter sommerlichen Komfortbedingungen (Innenbetriebstemperaturen > 25 °C) und bei Vorhandensein eines Deckenventilators gemäß der Norm (adaptiver Komfortteil) erhöhen sich die Obergrenzen in der folgenden Grafik um einige Grad.

PMV/PPD

Sommerliche PMV/PPD-Berechnungen gelten ausschließlich für Räume, die während der Sommersaison klimatisiert werden (und für alle Räume, die im Winter beheizt werden). Diese Konzepte zur Beurteilung der thermischen Behaglichkeit werden in dem in der Einleitung empfohlenen Artikel beschrieben.

Die folgende PMV/PPD-Ansicht bezieht sich ausschließlich auf die Klimatisierungsperiode. Während dieser Saison wird die blaue Unzufriedenheitsgrenze von 10 % (linke Skala) praktisch nie überschritten. Sie berücksichtigt nicht die mögliche Luftgeschwindigkeit, die von den Deckenventilatoren eingebracht wird.

Auch die roten Grenzen, die für die Durchschnittsstimme bei 0,5 (rechte Skala) festgelegt wurden, wurden in diesem Zeitraum praktisch nicht überschritten. Zur Erinnerung: +1 steht für “leicht warm”, -1 für “leicht kalt”.

Kopplung von Klimaanlagen und Luftventilatoren: Integration von Verbrauchsgewinnen

Bei einer Kopplung von Klimaanlagen und Deckenventilatoren können die Verbrauchseinsparungen über SED, Berechnung des Verbrauchs mit Systemen, geschätzt werden.

So wird der Thermiker in einer ersten Simulation eine Standardberechnung mit Klimaanlage durchführen. In einer zweiten Berechnung wird er sowohl :

• die Erhöhung des Klimasollwerts (z. B. auf 28 °C) unter Berücksichtigung des gefühlten Temperaturgewinns durch den Einsatz von Deckenventilatoren. Das Diagramm aus dem Woods Ventilation Guide (siehe unseren Artikel zum thermischen Komfort im Sommer) kann als Inspiration dienen..
• Reduzierung der Klimatisierungszeiten unter Berücksichtigung der Auswirkungen von Deckenventilatoren in der Zwischensaison.

STD mit Pleaides: Auf dem Weg zu einem noch besseren Tool?

Das STD-Modul COMFIE von Pleaides wird zu Recht geschätzt, um Fragen des Sommerkomforts zu behandeln. Es stützt sich auf anerkannte Normen, zeigt wichtige Werte (Anzahl der Stunden mit Unbehagen), ermöglicht die Berücksichtigung von Deckenventilatoren, erleichtert die bioklimatische Planung des Gebäudes…

Die Geschichte ist jedoch noch nicht zu Ende, und wir glauben, dass in zukünftigen Ausgaben der Software noch weitere Verbesserungen vorgenommen werden sollten, um die Berücksichtigung von Deckenventilatoren zu optimieren:

• Integration der europäischen Norm EN 16798, die die Norm EN 15251 ersetzt;
• Integration der US-amerikanischen Norm ASHRAE 55-2020 ;
• und damit einhergehend eine Erweiterung des Spektrums an möglichen Luftgeschwindigkeiten im Sommer;
• Aktualisierung von Grafiken, z. B. auf der Grundlage der Open-Source-Arbeiten des Zentrums für die bebaute Umwelt der Universität Berkeley in Kalifornien (PMV und Adaptiver Komfort).
• Energiegewinn durch die Destratifikation im Winter (fast 30% in hohen Räumen).

Alles in allem bietet die Nutzung von STD zur Verbesserung der Gebäudeplanung, insbesondere zur Bewältigung der hohen Sommertemperaturen, sehr gute Aussichten.

[i] Die Norm NF EN 15251 wird nun durch die Norm NF EN 16798 (Gesamtenergieeffizienz von Gebäuden) ersetzt.

Es ist anzumerken, dass sich diese Standards weniger regelmäßig weiterentwickeln als ihr US-amerikanisches Pendant, die l’ASHRAE 55-2020 die heute als die relevanteste Norm angesehen wird.

Diese beiden Normen haben wir übrigens zuvor in dem Artikel “Thermischer Komfort im Sommer und Deckenventilatoren: Kann man unser Empfinden quantifizieren?” vorgestellt.

[ii] Dieses von der ADEME unterstützte Forschungsprogramm wird von einem Konsortium durchgeführt, das Surya consultants, den Projektleiter (Ingenieurbüro, Forschung und Entwicklung/Thermik – Energie – Umwelt – Modellierung); LASA (privates Akustiklabor); ISEA (unabhängiger Soziologe); Laboratoire PIMENT – Université publique de la Réunion (Génie de l’Habitat und Wärmetechnik); Laboratoire Eiffel aérodynamique, eine Tochtergesellschaft der CSTB-Gruppe (Aerodynamik – Experimente); EnvirobatBDM : (Ressourcenzentrum und Ansatz für nachhaltige Gebäude im Mittelmeerraum). Dieses Programm ist Preisträger des Aufrufs zur Einreichung von Forschungsprojekten für verantwortungsbewusste Gebäude 2020.

[iii] Das Thema “Flächeneinteilung” wird hier behandelt: Luftumwälzer: Welche Regeln gelten für die Raumaufteilung?