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Schriftenreihe der Forschungsstelle
fUr Energiewirtschaft • Band 12
Aus den Arbeiten der
Forschungsstelle fur Energiewirtschaft, Munchen
und des
Lehrstuhls fUr Energiewirtschaft und Kraftwerks
technik der Technischen UniversiUit Munchen
Wissenschaftliche Redaktion: H. Schaefer
L. Rouvel
Raum
konditionierung
Wege zum energetisch
optimierten Gebaude
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg New York 1978
Dr.-Ing. Lothar Rouvel
Wissenschaftlicher Rat am Lehrstuhl fUr Energiewirtschaft und Kraftwerkstechnik
der Technischen Universitiit MUnchen
Dr.-Ing. Helmut Schaefer
o. Professor an der Technischen Universitiit MUnchen
Lehrstuhl fUr Energiewirtschaft und Kraftwerkstechnik
Wissenschaftlicher Leiter der Forschungsstelle fUr Energiewirtschaft MUnchen
ISBN-13:978-3-540-Q9048-9 e-ISBN-13:978-3-642-81282-8
001: 10.1007/978-3-642-81282-8
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© Springer-Verlag, Berlin/Heidelberg 1978
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236213020-543210
Vorwort
Die Bedeutung der Raumkonditionierung fur die Energiewirtschaft und fUr
die Realis1erung eines rationelleren Energieeinsatzes wird deutlich, wenn
man am Energiebedarf nach den verschiedenen Bedarfsarten analysiert. An
niihernd 40 % des Endenergieverbrauchs in der BRD dienen der Raumheizung
und unter EinschluB von Raumbeleuchtung, -kuhlung und -klimatisierung wer
den mehr als 50 % des Endenergieverbrauchs zur Raumkonditionierung einge
setzt.
Der hier vorliegende Band 12 der FfE-Schriftenreihe eroffnet die in Ko
operation mit dem Springer-Verlag neu konzipierte Aufmachung und Ver
triebsweise dieser Reihe. Er entstand aus den wissenschaftlichen Arbeiten der
Forschungsstelle fur Energiewirtschaft in Munchen und des Lehrstuhls fur
Energiewirtschaft und Kraftwerkstechnik der Technischen Universitiit Mun
chen und befaBt sich mit einer integralen Betrachtung des Energiehaushaltes
von Gebiiuden, seinen EinfluBparametern, seiner eindeutigen Quantifizierung
und den MOglichkeiten zu seiner Optimierung. Ausgangspunkt sind die Anfor·
derungen an das Raumklima, die erfullt werden mussen, um physiologisch vom
Menschen als behaglich empfundene Bedingungen zu schaffen. Hinzu kommen
EinfluBgroBen wie die klimatischen Verhiiltnisse der Umwelt, das Baukonzept,
die Bauweise, die Raumnutzung und die energetische Gestaltung der Haus
technik, die jeweils einzeln aber auch in ihrer gegenseitigen Beeinflussung un
tersucht werden.
Das hier behandelte Gebiet ist von groBer Bedeutung fur die energetisch
optimierte Auslegung der Haustechnik von Gebiiuden, nicht zuletzt, weil dar
aus klar wird, inwieweit bei entsprechenden baulichen Voraussetzungen auf
eine Raumkuhlung und -klimatisierung verzichtet werden kann. Trotz der viel
fiiltigen Zusammenhiinge, die bei der Bestimmung des Energiehaushaltes eines
Gebiiudes und der Optimierung seiner Anlagen zur Raumkonditionierung zu
behandeln sind, ist es gelungen, eine klare und ubersichtliche Darstellung der
Ergebnisse zu finden. Die gewonnenen Ergebnisse und Erkenntnisse sind rich
tungsweisend und haben sich bei Pilotanlagen bewiihrt. Sie haben daruber hin
aus im Rahmen einer Studie des Bundesministeriums fur Forschung und Tech
nologie uber Konzeptionen zur rationellen Energieversorgung 6ffentlicher
Bauvorhaben an konkreten Beispielen der geplanten Neubauten von Bundes
tag und Bundesrat entscheidende Impulse fur eine integrierte Planung von Ge
biiude, Haustechnik und Energieversorgung gegeben.
Munchen, im Juli 1978 Helmut Schaefer
Inhaltsverzeichnis
1. Energiewirtschaftliche Bedeutung der Raumkonditionierung
2. Energiewirtschaftliche Begriffsbestimmungen fur die Raum- 4
konditionierung
3. Anforderungen an die Behaglichkeit 6
3.1 Thermische Behaglichkeit 6
3.1.1 Physikalisches Temperaturempfinden 7
3.1.2 E influlSgri.iBen 7
3.1.2.1 Wiirmeproduktion des Menschen
3.1.2.2 Raumlufttemperatur und mittlere 8
Temperatur der umgebenden Fliichen
3.1.2.3 Luftfeuchtigkeit
3.1.2.4 Raum Iu ftbewegu ng 10
3.1.2.5 Kleidung 11
3.2 Lufthyg ien ische Behaglich keit 12
3.2.1 Luftverunreinigung 12
3.2.2 Luftung 13
3.3 Optische Behagl ichkeit 13
3.3.1 Physiologische Forderung 15
3.3.2 Tageslicht 15
3.3.3 Kunstlicht 15
3.4 Akustische Behagl ichkeit 15
17
4. Energiehaushalt eines Gebiiudes 18
5. Ziele und Methoden der Optimierung 20
6. Optimierungsberechnungen fur stationiire und quasistationiire 23
Vorgiinge
6.1 Wirtschaftlicher Wiirmeschutz 23
6.1.1 Wirtschaftlich optimaler Wiirmeschutz zum Errei- 23
chen minimaler Jahresgesamtkosten
6.1.2 Wirtschaftlich optimaler Wiirmeschutz zum Errei-
chen maximaler Rentalibitiit 30
6.1.3 Optimaler Wiirmeschutz zum Erreichen minimalen
Energieverbrauchs 31
6.1.4 Vergleich der Optimierungsverfahren fur eine wirt-
schaftliche Wiirmediimmung bei verschiedenen 33
Gebiiudetypen
6.2 Optimierungsansiitze fur Fenster 36
6.2.1 Wiirmeverluste und -gewinne bei Fenstern 36
6.2.2 Naturliche und kunstliche Beleuchtung 39
6.3 Energiebilanzen von Wohngebiiuden 42
InhaltsverLeichnis VII
7. Mathematische Behandlung der Einflu[l,-und Bestimmungs-
gro[l,en auf den Leistungs-und Energiebedarf bei dynamischen 45
Vorgiingen
7.1 EDV-Programm zur Berechnung des Raumtemperatur-
ganges sowie des Leistungsganges und des Energiebedarfs 46
7.1.1 Heiz-und Kuhllast von Riiumen 46
7.1.2 Heiz-und Kuhlbedarf sowie Wiirme- und Kiilte- 47
bedarf von Gebiiuden
7.2 Einflu[l,gro[l,en 47
7.2.1 Au[l,enklima 47
7.2.1.1 Temperatur der Au[l,enluft 47
7.2.1.2 Feuchte der Au[l,enluft 49
7.2.1.3 Wi ndgeschwind igkeit 49
7.2.1.4 Sonnenstrahlung 50
7.2.2 Raumklima und -nutzung 54
7.2.2.1 Temperatur der Raumluft 54
7.2.2.2 Feuchte der Raumluft 55
7.2.2.3 Temperatur der Zuluft 55
7.2.2.4 M indestzu luftmengen 56
7.2.2.5 Betriebs-und Verkehrszeiten 56
7.2.2.6 Kunstl iche Beleuchtung 56
7.2.2.7 Wiirmequellen im Raum 58
7.2.3 Bauweise 58
7.2.3.1 Ersatzmodelle fur ddS thermische Verhal- 59
ten von Wiinden
7.23.2 Wiirmetechnisches Verhalten von Innen- 59
bauteilen
7.2.3.3 Wiirmetechnisches Verhalten von Au[l,en- 60
bauteilen
7.2.3.4 Wiirmetechnisches Verhalten von Riiumen 61
7.2.4 Anlagenspezifische E influ[l,gro[l,en 63
7.2.4.1 Heiz-und Kuhllast von Riiumen 63
7.2.4.2 Heiz-und Kuhlbedarf eines Gebiiudes 65
ohne Klimatisierung
7.2.4.3 Wiirme- und Kiiltebedarf eines Gebiiudes 65
bei Klimatisierung
7.3 Ergebnisvergleich der EDV-Berechnungen mit den VDI- 66
K uh Ilast reg lern
8. Optimierungsansiitze fur dynamische Vorgiinge 71
8.1 Zusammenhang zwischen Bauweise und Raumtemperaturen 71
im Hochsommer
8.1.1 Basisdaten 71
8.1.2 Auskuhlzeitkonstante eines Raumes 73
8.1.3 Zusammenhang zwischen Lufttemperatur in 80
einem Raum ohne direkte Sonneneinstrahlung
und der Auskuhlzeitkonstante
8.1.4 E influP.. von Sonnenstrahlung und Zusatzluftung 81
auf die maximale Raumlufttemperatur
8.2 Einflu[l, von Bauweise und Versorgungssystem auf den 92
Leistungs-und Energiebedarf bei Klimatisierung
8.2.1 Basisdaten 92
8.2.2 E influP.. der Zuluftmenge aut den Leistungs-und 94
E nerg iebedarf
8.2.3 Einflu[l, der Bauweise und der Beleuchtungsstiirke 9[
auf die Zuluftmenge
8.2.4 Energieruckgewinnung 103
8.2.5 Vergleich der Klimaanlagensysteme 108
VIII Inhaltsverzeichnis
9. Zusammenfassung 114
Literatu rverzeichnis 117
Sachverzeichnis 121
Symbole IX
Symbol Bedeutung Einheit
A Fliiche m2
a Annuitiit
spezifische Fliiche
Absorptionsfaktor fur Sonnenstrahlung
F ugendurch liissigkeit
b Vollbenutzungsstunden h/a
DurchlalSfaktor fur Sonnenstrahlung
C Wiirmekapaz itiit kJ/K
c spezifische Wiirmekapazitiit kJ/kgK
E Beleuchtungsstiirke Ix
f Korrekturfaktor
9 Glasanteil
H HauskenngrblSe
I nvestition DM
spez ifische I nvestition DM/W; DM/m2
K CO2-Volumen pro Stunde m3/h
Kosten pro Jahr DM/a
k Wiirmedurchgangszahl W/m2K
CO2 -Konzentration
Korrekturfaktor
L Schallpegel dB (A)
Restwiirmefaktor
n Nutzungsdauer a
P Momentanleistung kW
P Wiirmestromdichte W/m2
pw Warmepreis DM/MWh
Pz ZinsfulS %/a
Q Warmebedarf. Kaltebedarf kJ; kWh
Heizlast. Kuhllast
Wiirmeverbrauch. Kiilteverbrauch
(Warmemenge innerhalb einer Zeitspanne)
q=Q/A spezifische Wiirmemenge innerhalb einer kJ/m2 ;
Zeitspanne kWh/m2
R Rentabilitat
Warmewiderstand K/W
R aum kenngrblSe
5 Dicke ei nes Bautei les m
T Tagesl ichtquotient
Zeitperiode s; h
Zei t konstante s; h
Trubungsfaktor
Zeit s; h
V stundliche Luftmenge m3/h
W E nerg ieverbrauch kJ; kWh
w spezifischer Energieverbrauch kWh/m3
z Zuschlagsfaktor nach DIN 4701
X Symbole
Symbol Bedeutung Einheit
ex Warmeubergangszah I W/m2K
0 Sonnenhbhe
€ relative Durchlassigkeit fur Sonnenstrahlung
T/ Wirkungsgrad
Nutzungsgrad
{} Temperatur C; K
1/A Wa rmedu rch lafSwiderstand K/W
A Warmeleitzahl W/m K
~ E instrah Irichtung
p Dichte kg/m3
1. Energiewirtschaftliche Bedeutung der Raumkonditionierung
Die Raumheizung einschl ielSl ich der K I imatisie Wohnflache. Bei der Einzelofenheizung werden
rung ist mit rd. 40 % am gesamten Endenergie in der Regel nur einzelne Raume beheizt, wah
verbrauch der BRD beteiligt, wovon etwa die rend der Rest der Wohnung allein durch die
Halfte auf den privaten Haushalt entfallt /1,2/. Warmestr6me im Gebaude eine gewisse Mindest
Durch diesen hohen Anteil ist der Bereich der erwarmung gegenuber der AulSentemperatur er
Raumkonditionierung fur die Energiewirtschaft halt. Dagegen ist bei der Sammelheizung und der
von einschneidender Bedeutung und bestimmt elektrischen Raumheizung infolge des gebotenen
weitgehend die Entwicklung des gesamten Ener Komforts der Antei I der beheizten Wohnflachen
giebedarfs. Es erscheint daher notwend ig, seine schon von Anfang an gr6lSer. Der Trend zur
E ntw ick lu ngstendenzen abzuschatzen. Sammelheizung wird also den Endenergiebedarf
Da es weder geschlossene Statistiken uber zur Raumkonditionierung weiterhin erh6hen.
den Einsatz von Endenergie zur Raumheizung Allerdings mulS man berucksichtigen, daIS
noch uber deren Nutzenergiebedarf gibt, mulS sich z.B. bei Verdoppelung des Anteils der be
aus der Struktur des Wohnungsbestandes, der heizten Flachen der Energiebedarf um weniger
Beheizungsart sowie der verschiedenen E influlS als das Doppelte erh6ht, da ja auch durch Teil
faktoren die Entwicklung prognostiziert werden raumbeheizung die nichtbeheizten Raume tem
(siehe Bild 1). periert werden.
Ausgangspunkt ist naturgemalS die Anzahl Einer der wichtigsten Gesichtspunkte ist der
der vorhandenen Wohnungen. Es wird erwartet, Wandel der Heizgewohnheiten, der in engem Zu
daIS sie sich bis zum Jahre 2000 um etwa 15 % sammenhang mit der Art des Heizsystems steht.
gegenuber dem heutigen Stand erh6ht. Gegen So ist mit einem weiteren Anstieg der mittleren
Ende der achtziger Jahre wird eine gewisse Satti Temperatur in beheizten Raumen zu rechnen.
gung eintreten, so daIS sich das Hauptgewicht im Dabei wird sich die Ganzjahresbeheizung noch
Wohnungsbau dann auf die Renovierung und Er starker durchsetzen. Durch verbesserte Regel
satzbedarfsdeckung verlagern wird. ausstattung vor allem bei Sammelheizungen kann
Die heute und wohl auch in Zukunft neu dagegen eine Oberheizung der Raume vor allem
gebauten Wohnungen sind im Durchschnitt gr6- wah rend der Obergangszeit und einer dadurch
lSer als die mittlere WOhnungsflache des Bestan bedingten Verschwendung durch unn6tiges Fen
des. Dadurch wird die durchschnittliche Woh sterluften entgegengewirkt werden. I nsgesamt
nungsgr61Se im Laufe der nachsten 25 Jahre im wird sich durch rlie angesprochenen Faktoren
Mittel um etwa 3 % anwachsen, was sich dem die durchschnittliche Benutzungsdauer des Aus
entsprechend auch auf den Raumheizbedarf aus legungswarmebedarfs um etwa 10 bis 15 % er
wirken wird. h6hen.
Der Anteil der Sammelheizungen nimmt Neben den Faktoren, die in R ichtung einer
rap ide zu. Waren es 1970 noch knapp 40 %, so Erh6hung des Heizwarmebedarfs wirken, gibt es
machen sie heute schon an die 60 % des Gesamt auch energiesparende. Ein solcher ist der zuneh
bestandes aus; im Jahr 2000 werden es uber mende Warmeschutz von Gebauden. Dabei darf
80 % sein. Auch die Elektroheizung wird im Be man jedoch erfahrungsgemalS nicht nur die je
reich ihrer M6g1 ichkeiten entsprechend dem Zu weiligen Wirtschaftlichkeitsdaten zugrundelegen.
wachs der H6chstlast im elektrischen Netz ex So kann man zwar annehmen, daIS z.B. aile elek
pandieren, so daIS die Einzelofenheizungen im trisch beheizten Wohnungen gut warmegedammt
Laufe der neunziger Jahre fast v611ig substituiert sind, jedoch wird bestimmt nicht das gesamte
sein werden. sammelbeheizte Neubauvolumen mit einem War
Diese Anderung der Heizsysteme erh6ht meschutz ausgerustet sein, der gegenuber den
den Antei I der beheizten F lache an der gesamten Mindestanforderungen nach DIN 4108 /3/ we-
