Fassaden-Innendämmung für klimatisierte Gebäude in den Tropen - Energiesimulation mit "Ladybug Tools"

Einer der Grundsätze der Bauphysik ist es, Wärmedämmung immer auf der "kalten Seite" von Fassaden anzubringen. Aus diesem Grund haben die meisten Gebäude in kalten oder gemäßigten Klimazonen eine äußere Wärmedämmung. Das gleiche Prinzip sollte für klimatisierte Gebäude in heißen Klimazonen gelten, in diesem Fall mit Wärmedämmung auf der Innenseite der Fassaden...

Um die Effizienz von innenliegenden Wärmedämmungen zu untersuchen, habe ich mit der Software 'Ladybug Tools' eine Gebäudeenergiesimulation für eine einfache Bürogebäudeetage in einem tropischen, feucht-heißen Klima durchgeführt.

 

Lage

Wie in einem meiner vorherigen Beiträge erwähnt, stellen Gebäude in tropischen Klimazonen in Äquatornähe eine Herausforderung hinsichtlich energieeffizienter Konzepte dar. Aus diesem Grund habe ich Jakarta gewählt, das nach der Köppen-Klimaklassifikation ein tropisches Monsunklima (Am) aufweist. Tropische Klimate zeichnen sich durch meist bedeckten Himmel, hohe Luftfeuchtigkeit und häufige Niederschläge aus. Die Lufttemperatur ist immer hoch mit minimalen täglichen und saisonalen Schwankungen.

Modell

Das Gebäudemodell, das als Grundlage für die Energiesimulation dient, wurde in Rhino 3D erstellt. Ich habe versucht, das Modell so einfach wie möglich zu halten. Die Grundparameter des Modells sind:

• Abmessungen: 6m x 8m im Grundriss , Geschosshöhe 3,5m, 48m², 168m³, eine durchgehende thermische Zone
• Fenster: Low-E Glas in der Süd- und Nordfassade, Südfenster mit permanenter horizontaler Beschattungsvorrichtung, U-Wert: 1,3 W/(m²K), g-Wert: 0,3, Lichttransmission: 0,64
• Materialien: 16cm Betonaußenwände auf allen Seiten, Betondecken als Schnittstelle zum oberen und unteren Geschoss mit gleichen thermischen Bedingungen 
• Dämmung: Mineraldämmplatte, Wärmeleitfähigkeit 0,045 W/(mK), Dicke zwischen 20mm und 100mm 
• Thermische Masse: 10m² Betonwand mit 16cm Dicke
• Klimaprogramm: klimatisierte offene Büronutzung mit Standardzeitplänen und internen Lasten gemäß EnergyPlus
• keine natürliche Belüftung

Screenshot des Rhino-Modells

Gebäude-Energiesimulation

Die Simulation wurde mit 'Ladybug' erstellt, einem Plug-In für Grasshopper, dem grafischen Algorithmus-Editor für Rhino 3D. Ladybug wiederum verwendet EnergyPlus als Berechnungs-Engine und einige andere Programme für seine Gebäudeenergiesimulationen. Das Gute an diesen Programmen ist, dass sie alle kostenlos sind, mit Ausnahme von Rhino 3D, das aber zumindest während eines 90-tägigen Testzeitraums kostenlos genutzt werden kann. Die folgende Abbildung zeigt die Grasshopper-Canvas (d. h. die grafische Algorithmus-Darstellung) dieser Simulation.

Grasshopper-Canvas der Energiesimulation

 

Die Grasshopper-Datei kann hier heruntergeladen werden..

In dieser Simulation wurde die jährliche Menge an Kühlenergie in kWh/a berechnet. Insgesamt gab es sechs Simulationsdurchläufe mit unterschiedlichen Fassadenkonstruktionen:

1.     16mm Betonwände, keine Wärmedämmung
2.     16-mm-Betonwände mit Innendämmung, Dicke: 20 mm
3.     16-mm-Betonwände mit Innendämmung, Dicke: 40mm
4.     16-mm-Betonwände mit Innendämmung, Dicke: 60 mm
5.     16-mm-Betonwände mit Innendämmung, Dicke: 80 mm
6.     16-mm-Betonwände mit Innendämmung, Dicke: 100 mm  

 

Ergebnisse

Ladybug bietet verschiedene Werkzeuge zur grafischen Darstellung der Simulationsergebnisse. Die folgende Abbildung ist eine 3D-Grafik der jährlichen Kühllast des klimatisierten Gebäudes ohne Wärmedämmung.

Jahreskühllast - Außenwände ohne Dämmung

 

Aufgrund des tropischen Klimas sind die Kühllasten das ganze Jahr über ähnlich hoch, bei geringen saisonalen Unterschieden. Die tägliche Kühlung ist gekennzeichnet durch geringe Lasten in der Nacht/ am frühen Morgen und hohe Lasten während der Bürozeiten. Die stündlichen Kühllasten haben ihre Spitzen um ca. 16 Uhr mit bis zu 5,5 kW.

Durch das Anbringen einer Wärmedämmschicht an der Innenseite der Betonwände der Fassade können die Kühllasten deutlich reduziert werden. Die nächste Grafik zeigt die jährlichen Kühllasten des gleichen Gebäudes, diesmal mit 40 mm Innendämmung. In diesem Fall überschreiten die stündlichen Kühllasten selten 4 kW.

Jahreskühllast - Aßenwände mit 40 mm Innendämmung

Durch die Kombination der Ergebnisse aller sechs Simulationen in einem Liniendiagramm wird deutlich, we sich die verschieden dicken Innendämmungen auf die Kühllast auswirken.

Fazit

Wie aus dem obigen Liniendiagramm ersichtlich, kann die jährliche Kühlenergie durch die Anbringung einer inneren thermischen Fassadendämmung drastisch reduziert werden. Im vorliegenden Beispiel konnte die jährliche Kühlenergie durch das Anbringen einer 20 mm dicken Wärmedämmschicht um mehr als 20 % reduziert werden. Bei einer 40 mm dicken Dämmschicht liegt die Energieeinsparung bei mehr als 25 %.

Eine weitere Erhöhung der Dämmschichtdicke hat nur einen geringen Einfluss auf die Kühlenergieeinsparung.