Entwicklung von Planungstools zur Ganzjahresbewertung von Fassadensystemen

Bearbeiter: Matthias Werner

Betreuer: Wolfgang Feist, Rainer Pfluger

Motivation der Arbeit

Tageslicht bietet viele Vorteile. Tageslicht besitzt einen hohen visuellen Komfort, wie zum Beispiel die sehr gute Lichtfarbe und Farbwiedergabe. Ebenfalls wirkt sich Tageslicht positiv auf die Gesundheit, und das Wohlbefinden des Menschen aus (Bartenbach, Witting, 2009). Fällt das natürliche Tageslicht auf die Netzhaut des Auges, wird das Hormon Serotonin produziert, welches aktivierend wirkt, und die Sekretion des „Schlafhormones“ Melatonin wird gebremst. Tageslicht stellt somit den natürlichen Taktgeber des circadianen Rhythmus des Menschen dar und kann bei zu geringen Lichtintensitäten zu depressiven Erscheinungen führen (Rüger et al., 2006). Neben den psychophysiologischen Effekten bietet die Nutzung von Tageslicht vor allem aber auch energetische Vorteile. Der Anteil der Beleuchtung am Gesamtstromverbrauch liegt in Deutschland bei ca. 10 %. Bei gewerblich genutzten Gebäuden liegt dieser Wert sogar bei über 20% (Boer et al., 2006). So kann durch Tageslicht Beleuchtungsenergie eingespart werden, da es im Idealfall Kunstlicht im Inneren des Gebäudes komplett ersetzt (Leslie et al., 2005). Bei einer klassischen Verglasung stellen sich bei einem bedeckten Himmel aber sehr rasch abfallende Werte des Tageslichtes zur Raumtiefe ein. Kunstlicht ist dann zur Beleuchtung des Raumes notwendig. Ebenfalls ist man auf Kunstlicht bei direkter Sonneneinstrahlung angewiesen, wenn aufgrund Überhitzung des Gebäudes oder Blendung ein Sonnenschutz heruntergefahren muss. Um dies zu vermeiden, ist ein Tageslichtsystem notwendig, das sich an die äußere Himmelssituation anpasst. Durch ein Tageslichtsystem, wie beispielsweise eine Umlenklamelle, wird das natürliche Licht über die Decke gelenkt. Es entsteht eine gleichmäßigere und vor allem tiefere Beleuchtung des Raumes.

Problemstellung

Solche Tageslichtsysteme wurden bereits in der Vergangenheit entwickelt und werden ständig weiter verbessert bzw. neue Lösungsansätze werden gefunden. Es fehlt jedoch bei der Planung solcher Tageslichtsysteme an Tools, die die Auswirkungen dieser Systeme auf die Beleuchtung im Innenraum auch ganzjährlich untersuchen. Nur eine ganzjährliche Betrachtung dieser Systeme lässt die Stärken bzw. Schwächen und die Kunstlichteinsparung fundiert bestimmen. Die Schwierigkeit in dieser Jahresbetrachtung liegt darin, dass sich der Himmelszustand über ein Jahr hinweg laufend ändert. Die Einstrahlcharakteristik wechselt von diffus bei bedecktem Himmel bis hin zu direkt bei klarem Himmel mit Sonne. Ebenso verändert sich laufend die Intensität und Sonnenposition. Jeder einzelne Faktor wirkt sich unmittelbar auf die Tagesbelichtung im Innenraum aus. Ein einfaches Tageslichtsystem z.B. mit verstellbaren verspiegelten Lamellen lässt sich mit den am Markt verwendeten Simulationsprogrammen wie Dialux und Relux nicht simulieren.

Zielsetzung der Doktorarbeit

In dieser Dissertation soll ein Verfahren entwickelt werden, das eine Ganzjahresbetrachtung eines komplexen Tageslichtsystems zulässt. Dieses Verfahren soll so vereinfacht werden, dass der Planer eines Gebäudes in der Lage ist, Tageslichtsysteme zu berücksichtigen, um daraufhin den Kunstlichtbedarf aufgrund dieses Systems ermitteln zu können.

Zunächst wird eine Bewertung auf Grundlage des bedeckten Himmels angestrebt. Ein bedeckter Himmel hat geringere Intensitäten als die restlichen Himmelszustände und stellt somit eine Bewertung auf der sicheren Seite hinsichtlich des Kunstlichtbedarfes dar. Ebenfalls handelt es sich um eine reine Diffus-Strahlung was die komplexe Ausgangsituation weiterhin vereinfacht. So ist zunächst geplant die Tageslichtbelichtung bei einem Ganzjahresbedeckten Himmel zu untersuchen und den dadurch entstehenden Kunstlichtbedarf zu ermitteln. Ebenfalls soll untersucht werden wie weit diese Werte der Realität entsprechen.

Um eine sehr exakte Bewertung von Tageslichtsystemen durchführen zu können wird das Tageslichtsystem als Funktion dargestellt. Die Richtungsabhängigkeit der Strahlen aufgrund des Systems wird nicht über ein geometrisches Modell sondern als „Bidirectional scaterring distribution function“ (BSDF) charakterisiert. Dieses Verfahren wurde von Greg Ward entwickelt und in der aktuellen Lichtsimulationssoftware Radiance Version eingebaut (Mcneil, 2010). Mit dieser Fassadenbeschreibung kann dann der Tageslichteintrag von Fassadensystemen bei unterschiedlichen Himmelzuständen. Jedoch ist für dieses Verfahren sehr großes „Know-How“ notwendig, und die üblichen Simulationstools, die am Markt genutzt werden, können nicht verwendet werden. Hier besteht der Ansatz standardisierte Raumgeometrien zu simulieren, um allgemeine Aussagen zu Tageslichtbelichtung aufgrund der Systeme und der daraus resultierenden Kunstlichtzuschaltzeiten treffen zu können. In weiterer Folge soll ein vereinfachtes Tool entwickelt werden, welches eine Ganzjahressimulation von Tageslichteinträgen bei unterschiedlichen Fassadensystemen ermöglicht.

Ebenfalls sollen Steuerungsstrategien berücksichtigt werden. Die Fassade wird z.B. aufgrund Überhitzung oder Blendschutz geschlossen. Dies wirkt sich unmittelbar auf den Tageslichteintrag und somit auch auf den Kunstlichtbedarf aus, was neben der Erhöhung des Strombedarfes auch eine Erhöhung der internen Last mit sich bringt. Aber auch der solare Eintrag wird dadurch stark verändert und beeinflusst somit das thermische Verhalten des Gebäudes. In dieser Doktorarbeit soll ein Verfahren entwickelt werden, welches diese Dynamik abbilden kann. Ebenfalls soll eine Schnittstelle zu den thermischen Simulationsprogrammen entwickelt werden, die es ermöglicht Fassadensysteme ganzheitlich nach den Gesichtspunkten, Kunstlicht- Heiz- und Kühlbedarf zu bewerten.

Des Weiteren soll untersucht werden wie weit es möglich ist diese komplexe Berechnung in vereinfachte Algorithmen zu beschreiben. Diese vereinfachten Algorithmen können dann in weitere thermische Simulationsprogramme direkt implementiert werden und erweitern somit diese Software  um die Funktion der Berechnung des Tageslichteintrages.

Während die Universität Innsbruck zu diesem Thema als wissenschaftlicher Partner in dem K-Licht Forschungsprojekt „Integrated Day- and Artificial Light“ vertreten ist, in dem neben der Entwicklung eines neuen Tageslichtsystems auch die oben beschriebene Toolentwicklung angestrebt wird und deshalb die Erkenntnisse dieser Dissertation stark einfließen werden (Projektpartner: Bartenbach Lichtlabor, Zumtobel Lighting, Tritonic Atco, FIBAG, K-Licht) soll es in dieser Dissertationsarbeit weiterführende wissenschaftliche Untersuchen durchgeführt werden. Diese Thematik wird auch in zukünftige Forschungsprojekte (lightSIMheat, VisErgyControl) bearbeitet.

Zusammenfassend dargestellt, ist es zurzeit nur sehr schwer möglich mit den am Markt befindlichen Tools Tageslichtsysteme zu planen. In dieser Dissertation sollen Werkzeuge bereitgestellt werden mit denen es möglich ist Fassadensysteme ganzheitlich nach den Kriterien Heiz- Kühl- und Kunstlichtbedarf zu simulieren und zu bewerten.