Der fortschreitende Klimawandel stellt eine der drängendsten Herausforderungen des 21. Jahrhunderts dar und manifestiert sich in steigenden Durchschnittstemperaturen sowie einer Zunahme von Extremwetterereignissen. Diese Entwicklungen haben direkte Auswirkungen auf den Energiebedarf von Gebäuden, insbesondere hinsichtlich der Klimatisierung, was eine verstärkte Suche nach nachhaltigen und effizienten Lösungen erfordert. In diesem Kontext rückt die Gebäudebegrünung als vielversprechende Alternative zur energieintensiven Gebäudeklimatisierung in den Fokus.
Die vorliegende Masterarbeit widmet sich genau diesem Thema und hat das Ziel, den Einfluss von Begrünungen auf das thermische Verhalten von Modell-Gebäuden eingehend zu untersuchen. Um diesem Forschungsziel gerecht zu werden, wird ein fortschrittliches Simulationsmodell auf Basis von TRNSYS entwickelt. Dieses Modell soll die Möglichkeit bieten, den Einfluss der Begrünung auf das thermodynamische Verhalten von zwei bestehenden Versuchsständen zu simulieren und zu analysieren.
Die Grundlage für die Untersuchung bilden zwei baugleiche Versuchsstände, von denen einer über eine Begrünung verfügt. Die Entwicklung und Validierung des TRNSYS-Modells erfolgt anhand messtechnisch erfasster Oberflächentemperaturen und Innenlufttemperaturen der Versuchsstände. Die Ergebnisse dieser Arbeit sollen nicht nur das thermodynamische Verhalten der Gebäude unter dem Einfluss von Begrünung detailliert abbilden, sondern auch mögliche Optimierungsansätze und Limitationen des entwickelten Modells aufzeigen.
Die vorliegende Forschungsarbeit nimmt eine bedeutende Rolle im Kontext nachhaltiger Bauweisen und umweltfreundlicher Technologien ein. Durch die detaillierte Untersuchung des thermischen Verhaltens von begrünten Gebäuden leistet die Arbeit einen wertvollen Beitrag zur Entwicklung effizienter und ökologisch verträglicher Baukonzepte. Darüber hinaus werden im Verlauf der Arbeit relevante Faktoren wie Absorptions- und Emissionskoeffizienten sowie atmosphärische Gegenstrahlung berücksichtigt, um die Genauigkeit des Simulationsmodells zu verbessern.
Die Erkenntnisse dieser Masterarbeit bieten nicht nur einen Beitrag zur wissenschaftlichen Forschung im Bereich der Bauingenieurwissenschaften, sondern haben auch unmittelbare praktische Anwendungen in der Entwicklung umweltfreundlicher und energieeffizienter Baukonzepte.
Inhaltsverzeichnis
1. Einleitung
2. Methodik
3. Beschreibung des Versuchsaufbaus
3.1 Unbegrünter Versuchsstand
3.2 Begrünter Versuchsstand
4. Messungen
4.1 Messungen an den Versuchsständen
4.2 Transmissionsmessung
5. Thermodynamisches Box-Modell
6. Entwicklung des Simulationsmodells
6.1 Projekterstellung in TRNSYS Studio
6.2 Grundeinstellungen
6.3 Type 99 Wetterdatenleser:
6.4 Type 56 Multi-Zone Building und TRNBuild
6.4.1 Inputs
6.4.2 Orientations
6.4.3 Properties
6.4.4 Layer Type Manager
6.4.5 Construction Type Manager
6.4.6 Infiltration Type Manager
6.4.7 Zone: Versuchsstand
6.4.8 Outputs
6.5 Type 75b Luftinfiltration:
6.6 Typ 80 Konvektiver Wärmeübergangskoeffizient:
6.7 Integration der Begrünung in das TRNSYS-Modell
6.8 Type 65: Online-Plotter
7. Ergebnisse
7.1 Zeitraum 1: TRNSYS, Messung und Berechnung
7.2 Zeitraum 2: TRNSYS, Messung und Berechnung
7.3 Verschiedene Begrünungen
7.4 Verschiedene Werte TSKY
8. Modellvalidierung
8.1 Zeitraum 1: TRNSYS, Messung und Berechnung
8.1 Zeitraum 2: TRNSYS, Messung und Berechnung
8.2 Verschiedene Begrünungen
8.3 Verschiedene Werte TSKY
9. Fehleranalyse und Optimierungsmöglichkeiten
9.1 Strahlungsaustausch mit der Umgebung
9.2 Begrünung im TRNSYS-Modell
9.3 Absorptions- und Emissionskoeffizienten
9.4 Temperaturmessung am Versuchsstand
Fazit und Ausblick
Zielsetzung & Themen
Das Hauptziel dieser Masterarbeit ist die Untersuchung des Einflusses von Dachbegrünungen auf das thermodynamische Verhalten von Gebäuden. Hierfür soll ein TRNSYS-Simulationsmodell entwickelt und validiert werden, welches in der Lage ist, sowohl unbegrünte als auch begrünte Modell-Versuchsstände abzubilden und deren thermische Reaktion unter variierenden Wetterbedingungen zu analysieren.
- Entwicklung eines thermodynamischen Simulationsmodells in TRNSYS Studio
- Experimentelle Validierung des Modells anhand gemessener Oberflächentemperaturen
- Vergleich des thermischen Verhaltens zwischen bepflanzten und unbepflanzten Systemen
- Analyse des Kühleffekts durch Verschattung und Verdunstung bei unterschiedlicher Vegetationsdichte
- Fehleranalyse der Simulationsgenauigkeit gegenüber realen Messwerten
Auszug aus dem Buch
1. Einleitung
Der Klimawandel stellt eine der größten Herausforderungen unserer Zeit dar, so stieg die jährliche Durchschnittstemperatur von 1881 bis 2019 bereits um 1.0 [°C] an, in Deutschland ist der Anstieg mit 1.6 [°C] für den gleichen Zeitraum sogar noch höher. [1] Außerdem nahmen die Häufigkeit und Intensität von Extremwetterereignissen wie Starkregen oder Hitzewellen in den letzten Jahrzehnten zu. [2][3]
Mit einem Anstieg der Temperaturen steigt auch der Bedarf für Gebäudeklimatisierung an. So wird im Bereich der Haushalte heute in 4.7 [%] der Haushalte mindestens ein Teil der Wohnfläche klimatisiert, hier wird bis 2030 mit einem Anstieg auf 8 [%] gerechnet. Des Weiteren sind bereits heute etwa die Hälfte der Büro- und Verwaltungsgebäude mit Klimatisierungsvorrichtungen ausgestattet. [4]
Eine mögliche Alternative zur energieintensiven Gebäudeklimatisierung stellt die Gebäudebegrünung dar. Diese hat neben einer optischen Verbesserung und einer Verbesserung der Luftqualität noch viele weitere Vorteile.
So kann eine Begrünung nicht nur dazu beitragen, den Effekt von städtischen Hitzeinseln abzuschwächen, sondern auch bei Starkregenereignissen durch eine Regenwasserrückhaltung die Gefahr einer Überlastung des Kanalsystems und somit einer Überschwemmung zu verringern. [5]
Zusammenfassung der Kapitel
1. Einleitung: Beschreibt die Relevanz des Themas im Kontext des Klimawandels und definiert die Zielsetzung der Masterarbeit.
2. Methodik: Erläutert den wissenschaftlichen Ansatz der Modellentwicklung in TRNSYS auf Basis bestehender Modell-Gebäude.
3. Beschreibung des Versuchsaufbaus: Detaillierte Darstellung der physikalischen Konstruktion von unbegrünten und begrünten Versuchsständen.
4. Messungen: Dokumentiert das Messverfahren der Luft- und Oberflächentemperaturen sowie die Rahmenbedingungen während der Versuchsreihen.
5. Thermodynamisches Box-Modell: Stellt das zugrunde liegende theoretische Box-Modell für den unbegrünten Versuchsstand vor.
6. Entwicklung des Simulationsmodells: Behandelt die technische Implementierung in TRNSYS, inklusive Parametrierung und Modulkonfiguration.
7. Ergebnisse: Präsentiert die erfassten Temperaturverläufe sowie die berechneten Daten für verschiedene Zeiträume und Begrünungsvarianten.
8. Modellvalidierung: Vergleicht die Simulationsergebnisse mit den tatsächlichen Messwerten zur Bewertung der Modellgenauigkeit.
9. Fehleranalyse und Optimierungsmöglichkeiten: Diskutiert Abweichungen zwischen Simulation und Messung und schlägt Maßnahmen zur Verbesserung vor.
Schlüsselwörter
Gebäudebegrünung, TRNSYS, thermisches Verhalten, Simulation, Modellvalidierung, Dachbegrünung, Klimatisierung, Wärmetransport, Oberflächentemperatur, Infiltration, Temperaturverlauf, thermodynamisches Modell, Transmissionskoeffizient.
Häufig gestellte Fragen
Was ist das Ziel dieser Arbeit?
Ziel ist es, den Einfluss von Begrünungen auf das thermische Verhalten von Modell-Gebäuden mithilfe einer TRNSYS-Simulation zu untersuchen und zu validieren.
Welche Gebäudearten wurden untersucht?
Es wurden zwei Versuchsstände, einer unbegrünt und einer begrünt, als Grundlage für die thermische Modellierung verwendet.
Welche Software kommt zum Einsatz?
Die Simulation und Modellierung erfolgt primär mit der Software TRNSYS in der Modulumgebung von TRNSYS Studio und TRNBuild.
Wie wurde die Begrünung im Modell berücksichtigt?
Die Verschattungswirkung der Begrünung wurde über Transmissionskoeffizienten in die thermodynamische Berechnung integriert.
Welche Messgrößen wurden erfasst?
Es wurden unter anderem Luftinnentemperaturen, Oberflächentemperaturen der Außen- und Innenseiten sowie Klimadaten wie Windgeschwindigkeit und Strahlungsintensität gemessen.
Was sind die zentralen Einflussfaktoren auf die Genauigkeit?
Kritische Faktoren sind die thermische Entkopplung vom Boden, die korrekte Bestimmung der Umgebungstemperatur und die Genauigkeit der Strahlungssensoren.
Warum ist ein Kühleffekt durch Begrünung im TRNSYS-Modell feststellbar?
Das Modell bildet primär den Kühleffekt durch Verschattung ab, was zu einer beobachtbaren Absenkung der Temperaturen bei zunehmender Begrünungsdichte führt.
Was wird im Fazit als Weiterentwicklung empfohlen?
Es wird empfohlen, Effekte wie Verdunstungskühlung (evaporative cooling) sowie eine physische Substratschicht im Modell zu ergänzen, um die Genauigkeit zu erhöhen.
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- Anonym (Author), 2023, Untersuchung des Einflusses von Begrünungen auf das thermische Verhalten von Modell-Gebäuden, Munich, GRIN Verlag, https://www.grin.com/document/1408106
