Abstract:
Das Ziel dieser Arbeit besteht zunächst darin, die Auswirkungen der Gesamtgeometrie eines Gebäudes auf die thermische Leistung und die Stromerzeugungsmengen zu ermitteln. Das Hauptziel der in dieser Arbeit entwickelten Methode besteht darin, den komplexen Prozess der "Energiesimulation" für mittelgroße Gebäude während der ersten Entwurfsphasen zu rationalisieren. Die Komplexität bestehender Simulationswerkzeuge ist größtenteils auf den "Mangel an verfügbaren Parametern in den frühen Stadien" und die "langen Simulationszeiten" zurückzuführen, die sie erfordern. ... mehrDaher zielt der neue Ansatz, der in dem in dieser Arbeit entwickelten Schätzungstool verwendet wird, darauf ab, eine bessere Benutzerfreundlichkeit in den frühen Entwurfsphasen zu bieten und die Simulationszeit für die "Energiebedarfsschätzung" zu verkürzen, wodurch sie für die Mehrheit der Gebäudeplaner zugänglicher wird.
In diesem Zusammenhang wurden zunächst sowohl undurchsichtige als auch transparente Komponenten in Betracht gezogen, die Wände, Dächer und Fenster darstellen, sowie die Möglichkeit, PVs durch verschiedene Konfigurationen zu integrieren, was zu BIPV-, BAPV- und PV-Verglasungen führt. Die Methode berechnet gleichzeitig die thermische Leistung und die Stromerzeugung von Kombinationen dieser fünf Komponenten auf der Gebäudehülle. Sie nutzt eine stationäre Wärmeübertragungsmethode über verschiedene Ebenen der Gebäudegeometrie, einschließlich einzelner Komponenten, der Zusammensetzung verschiedener Komponenten an der Fassade eines Gebäudes und schließlich der gesamten Gebäudegeometrie. Dabei schätzt das Verfahren den Heiz- und Kühlbedarf von Bauteilen ab. Auf einer höheren Geometrieebene wird der ganzheitliche Energiebedarf der gesamten Außengeometrie des Gebäudes abgeschätzt, die aus verschiedenen Bauteilen mit spezifischen Flächen besteht. In die Berechnungen werden reale Wetterdaten aus Stuttgart integriert, darunter stündliche, monatliche und jährliche Daten zu Temperatur, Einstrahlung, Wind und Bewölkung. Die anfängliche Kalibrierung der entwickelten Methode umfasst den Vergleich der elementar berechneten Indizes mit "DesignBuilder", und die akzeptablen Abweichungen zeigen die präzise Nutzung der integrierten Methode.
Im nächsten Kapitel dieser Arbeit erfolgt die Berechnung der "Energieeffizienzkennzahlen" von Gebäuden, nämlich "Autarkie" und "Eigenverbrauch", unter Berücksichtigung der gleichzeitigen Betrachtung der PV-Effizienz bei unterschiedlichen Betriebstemperaturen. Die damit verbundenen unterschiedlichen Wärmeströme können den Energiebedarf des Gebäudes entweder erhöhen oder verringern. Diese Berechnungen beziehen sich auf unterschiedliche Konfigurationen, die sich aus verschiedenen geometrischen Konfigurationen ergeben, was zu unterschiedlichen Anteilen des "eigenproduzierten Stroms" im Vergleich zum gedeckten und ungedeckten Energiebedarf des Gebäudes führt. Im Rahmen der zweiten Kalibrierung der in dieser Arbeit entwickelten integrierten Methode wird der Energiebedarf eines errichteten und überwachten Gebäudes (durchgeführt von ZukunftBAU) betrachtet. Für die Gebäudehülle und die PV-Integration wird die gleiche Materialzusammensetzung verwendet, was zu einer akzeptablen Abweichung hinsichtlich der endgültigen "Stromerzeugung" und des "Gesamtenergiebedarfs des Gebäudes" führt. Das letzte Kapitel dieser Arbeit zeigt die Auswirkungen der Geometrie der Gebäudehülle auf die Veränderung der "Energieeffizienzindikatoren". Es bestätigt, dass die Bandbreite der Veränderungen der beiden Indizes "Autarkie" und "Eigenverbrauch" bei gleichbleibendem Bauaufbau und PV-Konfiguration konsequent mit der Außengeometrie des Gebäudes zusammenhängt. Die entwickelte Methode lässt sich leicht in die Anfangsphase des architektonischen Gebäudeentwurfs integrieren, da sie vor allem die Untersuchung von Energieeffizienzunterschieden zwischen verschiedenen geometrischen Aufbauten ermöglicht. Die Anwendung dieser Methode kann sich für unterschiedliche geografische Standorte, Materialkombinationen und PV-Konfigurationen in Verbindung mit opaken und transparenten Bauteilen als äußerst vorteilhaft erweisen.
Abstract (englisch):
This work initially aims to determine the effects of the overall geometry of a building on thermal performance and electricity generation quantities. The primary goal of the developed method in this work is to streamline the complex process of 'energy simulation' for medium- sized buildings during the initial design phases. The complexity of existing simulation tools largely stems from the 'lack of available parameters in the early stages' and the 'lengthy simulation times' they require. Therefore, the new approach employed in the developed estimation tool in this work seeks to provide more usability in the early design stages, with reduced simulation time for 'energy demand estimation,' making it more accessible to the majority of building designers.
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In this context, both opaque and transparent components representing walls, roofs, and windows have been initially considered, along with the possibility of integrating PVs through different configurations resulting in BIPV, BAPV, and PV glazing. The method simultaneously calculates the thermal performance and electricity generation of combinations of these five components on the building's envelope. It employs a steady-state heat transfer method across different levels of building geometry, including individual components, the composition of different components on a building's facade, and finally, the entire building's geometry. In this process, the method estimates the heating and cooling demands of building components. At a higher level of geometry, it estimates the holistic energy demand of the entire external geometry of the building, which comprises various components with specific areas. Real weather data from Stuttgart, including hourly, monthly, and annual data on temperature, irradiation, wind and cloudiness is integrated into the calculations. The initial calibration of the developed method involves comparing the elementary calculated indexes with 'DesignBuilder,' and the acceptable deviations demonstrate the precise utilization of the integrated method.
In the next chapter of this work, the calculation of building 'energy efficiency indicators,' namely 'self-sufficiency' and 'self-consumption,' takes into account the simultaneous consideration of PV efficiency under different operating temperatures and the varying heat flows that can either increase or decrease the energy demand of the building. These calculations pertain to different configurations arising from various geometrical setups, resulting in different proportions of 'self-generated electricity' compared to the covered and uncovered energy demands of the building. In the process of the second calibration of the integrated method developed in this work, the energy demand of a constructed and monitored building (conducted by ZukunftBAU) is considered. The same material assembly for this building's envelope and its PV integration is applied, resulting in an acceptable deviation in terms of the final 'electricity generation' and the 'total energy demand of the building.' The final chapter of this work demonstrates the effects of the building envelope's geometry in altering the 'energy efficiency indicators.' It confirms that the range of changes in the two indexes, 'self- sufficiency' and 'self-consumption,' is consistently linked to the building's external geometry when the construction setup and PV configuration remain the same. The developed method is easily integrable into the initial stages of architectural building design, as it primarily enables the exploration of energy efficiency differences among various geometrical setups. The application of this method can prove highly beneficial for different geographical locations, material combinations, and PV configurations in conjunction with opaque and transparent components.
