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Im Projekt MAGGIE wurden für das genossenschaftliche historische Stadtquartier „Margaretenau“ in Regensburg Musterlösungen für energieoptimiertes Wohnen mit innovativen Wandaufbauten aus solaraktiven Baukonstruktionen und einer vorhersagebasierten Versorgungstechnologie erforscht.
Dazu wurde ein bestehendes Wohngebäude als Demonstrations- und Versuchsobjekt mit einem neuartigen, besonders effizienten Hybridsystem aus Wärmepumpentechnologie und Kraft- Wärme-Kopplung ausgestattet und untersucht, ergänzt durch eine dynamische Wärmelogistik zur Verringerung von Verteilungsverlusten.
Das System wurde durch ein neu entwickeltes, allgemein einsetzbares Planungs-, Optimierungs- und Steuerungstool ausgelegt und im Betrieb geregelt. Die in Echtzeit laufende Nachoptimierung des Systems während des Betriebs greift dabei auf reale Monitoringdaten zu. Die Einbindung von Nutzerbedarfsprofilen, Strombörse und Wetterdaten in die Steuerung gestattet einen dynamischen und perspektivischen Anlagenbetrieb zur Maximierung der Solar- und Umweltwärme-Anteile der Energieversorgung und leistet damit einen wirksamen Beitrag zu einem emissionsarmen, klimafreundlichen Gebäudebetrieb.
Für die denkmalgerechte Modernisierung der historischen Fassaden wurde ein solaraktives und solaradaptives Außenputzsystem entwickelt und in der Realität getestet. Am Bestandsgebäude kam anstelle eines Wärmedämmverbundsystems ein innovativer Dämmputz mit Mikrohohlglaskugeln zum Einsatz.
Die Skalierbarkeit erlaubt eine abschnittsweise Modernisierung des gesamten Ensembles über mehrere Jahre. Durch die hohe Energieeffizienz wird die Warmmiete für die Bewohner der genossenschaftlichen Siedlung durch die Modernisierungsmaßnahmen nicht erhöht, so dass auch nach der Modernisierung ein bezahlbares Wohnen sichergestellt wird.
Im Projekt MAGGIE wurden für das genossenschaftliche historische Stadtquartier „Margaretenau“ in Regensburg Musterlösungen für energieoptimiertes Wohnen mit innovativen Wandaufbauten aus solaraktiven Baukonstruktionen und einer vorhersagebasierten Versorgungstechnologie erforscht.
Dazu wurde ein bestehendes Wohngebäude als Demonstrations- und Versuchsobjekt mit einem neuartigen, besonders effizienten Hybridsystem aus Wärmepumpentechnologie und Kraft- Wärme-Kopplung ausgestattet und untersucht, ergänzt durch eine dynamische Wärmelogistik zur Verringerung von Verteilungsverlusten.
Das System wurde durch ein neu entwickeltes, allgemein einsetzbares Planungs-, Optimierungs- und Steuerungstool ausgelegt und im Betrieb geregelt. Die in Echtzeit laufende Nachoptimierung des Systems während des Betriebs greift dabei auf reale Monitoringdaten zu. Die Einbindung von Nutzerbedarfsprofilen, Strombörse und Wetterdaten in die Steuerung gestattet einen dynamischen und perspektivischen Anlagenbetrieb zur Maximierung der Solar- und Umweltwärme-Anteile der Energieversorgung und leistet damit einen wirksamen Beitrag zu einem emissionsarmen, klimafreundlichen Gebäudebetrieb.
Für die denkmalgerechte Modernisierung der historischen Fassaden wurde ein solaraktives und solaradaptives Außenputzsystem entwickelt und in der Realität getestet. Am Bestandsgebäude kam anstelle eines Wärmedämmverbundsystems ein innovativer Dämmputz mit Mikrohohlglaskugeln zum Einsatz.
Die Skalierbarkeit erlaubt eine abschnittsweise Modernisierung des gesamten Ensembles über mehrere Jahre. Durch die hohe Energieeffizienz wird die Warmmiete für die Bewohner der genossenschaftlichen Siedlung durch die Modernisierungsmaßnahmen nicht erhöht, so dass auch nach der Modernisierung ein bezahlbares Wohnen sichergestellt wird.
A numerical parameter sensitivity analysis of the design parameters of the recently published solar selective thermal insulation system (SATIS) has been carried out to enhance its thermal and optical properties. It turned out that the insulation properties of SATIS can be effectively improved by reducing the length of the glass closure element. Increasing the area share of the light conducting elements (LCEs) and decreasing their length-to-diameter (L/D) ratio were identified as key parameters in order to increase the solar gain. Two SATIS variants were compared with the same wall insulation without SATIS in a yearly energetic performance assessment. The SATIS variant with 10 mm length of the closure element, 44.2% area share of LCE, as well as front and rear diameters of 12 mm/9 mm shows an 11.8% lower transmission heat loss over the heating period than the wall insulation without SATIS. A new methodology was developed to enable the implementation of the computed solar gains of SATIS in 1D simulation tools. The result is a radiant heat flow map for integration as a heat source in 1D simulation models. A comparison between the 1D and 3D models of the inside wall heat fluxes showed an integral yearly agreement of 98%.
This communication introduces an experimental setup for investigating the effect of solar radiation on the reduction of transmission heat losses and the steady state thermal conductance of uninsulated and insulated multi-layer wall samples. The setup consists of two adjacent climatic chambers, which share a common wall, in which the multi-layer wall samples are mounted. A solar simulator is applied within the outdoor air climatic chamber, whose radiation spectrum and radiation intensity are approximately equivalent to those of the sun. The first tests have been carried out on a wall sample with a typical structure of existing buildings from the year 1930 in Germany. In addition, a high-performance insulating plaster layer has been applied on a basic test sample (with existing building structure) to replicate and assess the refurbished scenario. Furthermore, a numerical investigation on the transient heat transfer process is carried out by using the simulation software COMSOL Multiphysics®. The experimental results of both uninsulated and insulated wall samples are validated against 1D and 3D models. As seen, the uninsulated wall, whose thermal conductance was experimentally determined to be equal to 1.79 W/(m²K), absorbs a heat flux of 208 W/m² through its external wall surface over a period of 8 hours. A fraction of 9.8 % of the absorbed heat arrives as a gain on the internal wall and reduces the transmission heat losses by 11.7 % over a period of 55 hours. On the other hand, the thermal conductivity of the insulation layer of the refurbished wall sample with micro hollow glass spheres was estimated by a parameter estimation procedure using the 3D model and the obtained experimental data. Using the estimated thermal conductivity, a thermal conductance of 0.42 W/(m²K) has been obtained for the refurbished wall sample.
A newly-developed solar active thermal insulation system (SATIS) is introduced with the main objective to accomplish a highly-dependent total solar transmittance on the irradiation angle. SATIS is also designed to obtain the maximum transmittance at a prescribed design irradiation angle and to reduce it remarkably at higher irradiation angles. A purely mineral thermal insulation plaster with micro hollow glass spheres is applied to manufacture the investigated SATIS prototype. Light-conducting elements (LCEs) have been introduced into SATIS and suitable closing elements have been applied. The SATIS prototype has been investigated both experimentally and numerically. It turned out that the contributions of conduction, radiation and convection to the effective thermal conductivity of SATIS, without the closing elements (49 mWmK), amount to 86.2%, 13.2% and 0.6%, respectively. The angle-dependent short-wave radiation exchange within the LCE has been investigated via ray tracing. At the incidence angle of 19% (design angle), 27% of the radiation within the LCE is absorbed by the absorber plate, resulting in measured and computed total solar energy transmittances of 11.2%/11.7%, respectively. For a typical summer irradiation angle of 60%, 98% of the incident radiation is absorbed by the surfaces at the entrance of the LCE. The corresponding total solar energy transmittance amounts to 2.9%.
A prototype of a thermal insulation system to offer high selectivity of the solar gain regarding the solar incidence angle (SATIS) was applied to a typical solid brick masonry for existing buildings in Germany. Light conducting elements (LCEs) inclined at 19 ° were incorporated in SATIS, which equals the average solar noon angle in southern Germany during winter. The entire wall construction was experimentally investigated in a differential climatic chamber test bench at four different irradiation angles according to a dynamic test procedure. In addition, a conventional wall construction (CWC) has been measured. At SATIS’ design angle of 19 °, the SATIS wall construction shows a solar gain (SG) of 394.5 Wh/m², while the SG of the CWC amounts to only 25.4 Wh/m². The validated transient model of the SATIS wall construction showed that, at the end of the irradiation period of the dynamic test procedure (8 h), the solar heat penetrates to a depth of 253 mm and 111 mm inside the 385 mm thick brick wall masonry at the irradiation angles of 19 ° and 50 °, respectively. During the same time, the stored solar energy at 50 ° amounts to only 24.4 % of that stored at 19 °.
On the Development of a Building Insulation using Air Layers with Highly Reflective Interfaces
(2021)
In this work, a novel building insulation system implying wooden fiberboards and intermediate air layers with highly reflective interfaces for the reflection of longwave IR radiation is introduced. A wall test sample with a double air insulation layer has been built and experimentally investigated in a dedicated setup, which consists of a differential climatic chamber to simulate different indoor and outdoor conditions. The test results have been utilized in validating the developed simulation model. In addition, a thorough numerical parameter study has been conducted, through which the general design rules of the introduced insulation system for realizing the lowest possible effective thermal conductivity have been defined. Furthermore, a multi-air-layer-insulation concept is developed, and the energy saving potential is evaluated. It turned out that, emissivity, object size and air layer thickness are the most dominant design parameters which influence the thermal conductivity of the introduced insulation. A thermal conductivity of 0.033 W/(mK) has been estimated for a multi-air-layer insulation with 7 layers. The obtained results prove the high insulation potential of the introduced building insulation system compared with insulating materials available in the market while outlining their limitations.